Частотные преобразователи широко используются для управления скоростью вращения электродвигателей. С их помощью можно плавно регулировать обороты трехфазных асинхронных двигателей от однофазной сети 220В. В статье мы разберем устройство, принцип работы и особенности преобразователей частоты 220/380В.
1. Назначение частотных преобразователей
Частотный преобразователь (ПЧ) - это электронное устройство для управления скоростью вращения ротора асинхронных электродвигателей переменного тока. ПЧ выполняет преобразование входного напряжения фиксированной частоты в выходное напряжение регулируемой частоты и амплитуды.
Основные области применения частотных преобразователей:
- Регулирование производительности насосов, вентиляторов, компрессоров
- Управление скоростью вращения конвейеров, подъемных механизмов, приводов металлорежущих станков
- Регулирование частоты вращения электродвигателей в стиральных машинах, холодильниках, кондиционерах
- Плавный пуск и остановка мощных электродвигателей, предотвращение бросков тока
Основные преимущества использования частотных преобразователей:
- Экономия электроэнергии за счет оптимизации работы электропривода
- Плавный пуск, увеличение срока службы электродвигателя и механизмов
- Точная настройка скорости, улучшение качества техпроцесса
- Защита от перегрузок, снижение затрат на обслуживание
Основные задачи, решаемые при управлении асинхронным электродвигателем с помощью ПЧ:
- Плавный пуск и останов двигателя, исключение бросков тока
- Регулирование частоты вращения в заданном диапазоне
- Поддержание постоянной скорости при изменении нагрузки
- Ограничение пусковых токов и максимального момента
- Торможение двигателя постоянным током
- Защита от аварийных режимов работы
Применение частотных преобразователей позволяет добиться существенной экономии электроэнергии. Срок окупаемости затрат на приобретение частотника обычно составляет 1-2 года.
2. Устройство частотного преобразователя
В состав частотного преобразователя входят следующие функциональные узлы:
- Входной выпрямитель
- Промежуточная цепь постоянного тока
- Автономный инвертор напряжения
- Система управления
На вход ПЧ подается переменное напряжение сети 220 или 380В. Входной выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный. Для этого чаще всего используются неуправляемые диодные мосты.
В современных ПЧ применяются также активные выпрямители на IGBT-транзисторах, которые позволяют реализовать энергосберегающий алгоритм работы и рекуперацию энергии в сеть.
Далее энергия постоянного тока подается на автономный инвертор, который формирует на выходе трехфазное напряжение регулируемой частоты и амплитуды. В качестве инверторов используются транзисторные мосты различных типов.
Управление работой ПЧ в соответствии с заданным алгоритмом осуществляет система управления на базе микроконтроллера или DSP-процессора. Система управления выполняет:
- Обработку сигналов задания
- Вычисление значений управляющих воздействий
- Генерацию импульсов для инвертора
- Контроль текущего состояния и защиту
Регулирование частоты и напряжения на выходе ПЧ обычно осуществляется двумя основными способами:
- Скалярное управление (U/f=const)
- Векторное управление
При скалярном управлении поддерживается постоянное отношение напряжения и частоты, при векторном - осуществляется независимое управление амплитудой и частотой выходного напряжения для обеспечения максимальной отдачи от двигателя.
3. Принцип работы частотного преобразователя
Рассмотрим более подробно принцип работы основных узлов частотного преобразователя.
Переменное напряжение сети сначала преобразуется в постоянное. Для этого используются диодные или тиристорные выпрямители. На выходе выпрямителя получается пульсирующее напряжение постоянного тока, которое сглаживается с помощью фильтра.
Далее напряжение постоянного тока подается на вход автономного инвертора, состоящего из транзисторов. Инвертор преобразует напряжение постоянного тока в трехфазное напряжение переменного тока с частотой, задаваемой системой управления.
Для формирования переменного напряжения используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ). При ШИМ управляется длительность импульсов, которыми открываются транзисторы инвертора. Изменением длительности импульсов регулируется амплитуда выходного напряжения. А частота следования импульсов задает частоту выходного напряжения.
Таким образом, изменяя длительность импульсов и их частоту с помощью системы управления, можно регулировать амплитуду и частоту выходного напряжения, а значит управлять скоростью вращения подключенного электродвигателя.
Для защиты силовых транзисторов от бросков тока и напряжений в ПЧ включаются развязывающие дроссели и варисторы. Встроенная система управления обеспечивает контроль токов и напряжений, предотвращая выход ПЧ из строя.
Таков в общих чертах принцип работы частотного преобразователя для управления оборотами трехфазного асинхронного электродвигателя от однофазной сети 220В.
4. Виды частотных преобразователей
Существует большое разнообразие типов частотных преобразователей, которые отличаются конструкцией, техническими характеристиками и особенностями применения.
По входному напряжению ПЧ делятся на:
- На 220В для однофазной сети
- Преобразователь для трехфазной сети 380В
По выходным параметрам бывают:
- Однофазные ПЧ 220В
- Трехфазные ПЧ 380В
По типу системы управления:
- Скалярное управление
- Векторное управление
- Бездатчиковое векторное управление (сенсорлесс)
По способу охлаждения:
- С естественным воздушным охлаждением
- С водяным охлаждением
- С принудительным воздушным охлаждением
По климатическому исполнению:
- Общего назначения (УХЛ4)
- Для тропического климата (УХЛ3)
- Для Арктики (УХЛ1)
Кроме того, частотные преобразователи различают:
- По классу защиты корпуса - IP20, IP21, IP54, IP55
- По типу охлаждающего вентилятора - с внутренним, внешним, без вентилятора
- По дополнительным функциям - встроенный PID-регулятор, встроенный тормозной модуль, дополнительные платы расширения и т.д.
Такое разнообразие ПЧ позволяет гибко подобрать оптимальный вариант под конкретную задачу с нужным набором функций.
5. Выбор частотного преобразователя
При выборе частотного преобразователя необходимо учитывать:
- Мощность и рабочий ток подключаемого электродвигателя
- Напряжение сети - 220 или 380 В
- Тип нагрузки - постоянный, переменный, ударный
- Необходимость векторного управления
- Требуемые дополнительные функции
Мощность ПЧ должна соответствовать мощности электродвигателя. Номинальный выходной ток частотника должен быть больше или равен рабочему току двигателя.
Напряжение сети определяет тип входа ПЧ - 220 или 380В.
Преобразователь с 220 на 380 подходит для работы от трехфазной сети 380В.
При переменном или ударном характере нагрузки следует закладывать запас по мощности ПЧ - до 30%.
Для высокоточных приводов, где нужно поддерживать момент на валу, применяют преобразователь с векторным управлением.
6. Подключение частотного преобразователя
Подключение преобразователя с 220 на 380 (3 фазы) включает следующие этапы:
- Подбор сечения силовых кабелей по току
- Выбор и установка автоматического выключателя
- Подключение клемм питания и двигателя
- Подключение цепей управления
- Программирование параметров ПЧ
Сечение силовых кабелей рекомендуется выбирать с запасом - на ступень выше по сравнению с рассчитанным. Например, если по расчету нужен кабель сечением 2,5 мм2, то ставят 4 мм2.
Автоматический выключатель выбирается по номинальному току ПЧ.
При монтаже провода нужно разделить на силовые цепи 220/380В и слаботочные цепи управления.
7. Настройка параметров ПЧ
Перед запуском частотного преобразователя нужно задать его параметры в соответствии с применением.
Основные настройки:
- Выбор способа управления - с клемм, панели управления, по интерфейсу
- Задание рабочего диапазона частоты вращения вала
- Настройка времени разгона и замедления
- Настройка режима ограничения тока
- Настройка защит и аварийного останова
Для оптимальной работы двигателя нужно задать такие параметры, как напряжение, ток, частота, мощность. Эти данные берутся из паспортной таблички двигателя.
8. Ремонт частотных преобразователей
При возникновении неисправностей ремонт частотного преобразователя должен производиться квалифицированным персоналом.
Возможные неисправности ПЧ:
- Перегрев и выход из строя силовых модулей
- Выход из строя конденсаторов фильтра
- Неисправность вентилятора охлаждения
- Отказ платы управления
Для устранения неполадок может потребоваться замена силовых модулей, конденсаторов, вентилятора, предохранителей. В сложных случаях требуется ремонт или замена платы управления.
Ремонт частотных преобразователей должен выполняться с соблюдением мер безопасности, с использованием специальных инструментов и контрольно-измерительной аппаратуры.
