частотный преобразователь своими руками, как сделать

Сегодня асинхронные двигатели являются основными тяговыми приводами для станков, конвейеров, и прочих промышленных агрегатов.

Для того чтобы моторы могли нормально функционировать, им нужен частотный преобразователь. Он позволяет оптимизировать работу агрегата и продлить срок его службы. Покупать устройство необязательно — частотник для трехфазного электродвигателя можно сделать своими руками.

Назначение частотного преобразователя

Асинхронный электродвигатель может работать и без частотника, но в этом случае у него будет постоянная скорость без возможности регулировки. К тому же отсутствие частотного преобразователя приведет к возрастанию пускового тока в 5−7 раз от номинального, что вызовет увеличение ударных нагрузок, повысит потери электроэнергии и приведет к существенному сокращению срока службы агрегата.

Для нивелирования всех вышеперечисленных негативных факторов были изобретены преобразователи частоты для асинхронных двигателей трехфазного и однофазного тока.

Частотник дает возможность в широких пределах регулировать скорость электродвигателя, обеспечивает плавный пуск, позволяет регулировать как скорость запуска, так и скорость торможения, подключать трехфазный мотор к однофазной сети и многое другое. Все эти функции зависят от микроконтроллера, на котором он построен, и могут отличаться у разных моделей.

Принцип работы устройства

Переменный ток поступает из сети на диодный мост, где он выпрямляется и попадает на батарею сглаживающих конденсаторов, где окончательно превращается в постоянный ток, который поступает на стоки мощных IGBT транзисторов, управляемых главным контроллером. Истоки транзисторов, в свою очередь, подключены к двигателю.

Вот упрощенная схема преобразователя частоты для трехфазного асинхронного двигателя.

Теперь рассмотрим, что происходит с транзисторами и как они работают.

Полевой транзистор (он же ключ, мосфет и пр.) — это электронный выключатель, принцип его действия основан на возникновении проводимости между двумя выводами (сток и исток) мосфета, при появлении на управляющем выводе (затворе) напряжения, превышающего напряжение стока.

В отличие от обычных реле, ключи работают на очень высоких частотах (от нескольких герц до сотен килогерц) так что заменить их на реле не получится.

С помощью этих быстродействующих переключателей микроконтроллер получает возможность управления силовыми цепями.

К контроллеру, кроме мосфетов, также подключены датчики тока, органы управления частотником, и другая периферия.

При работе частотного преобразователя микроконтроллер измеряет потребляемую мощность и, в соответствии с установленными на панели управления параметрами, изменяет длительность и частоту периодов, когда транзистор открыт (включен) или закрыт (выключен), тем самым изменяя или поддерживая скорость вращения электродвигателя.

Самостоятельное изготовление прибора

Несмотря на множество агрегатов заводского производства, люди делают преобразователи частоты самостоятельно, благо на сегодняшний день все его компоненты можно купить в любом радиомагазине или заказать из Китая. Такой частотник обойдется вам значительно дешевле покупного, к тому же вы не будете сомневаться в качестве его сборки и надежности.

Делаем трехфазный преобразователь

Собирать наш преобразователь будем на мосфетах G4PH50UD, которыми будет управлять контроллер PIC16F628A посредством оптодрайверов HCPL3120.

Собранный частотник при подключении в однофазную сеть 220 В будет иметь на выходе три полноценные фазы 220 В, со сдвигом 120°, и мощность 3 КВт.

Схема частотника выглядит так:

Так как частотный преобразователь состоит из частей, работающих как на высоком (силовая часть), так и на низком (управление) напряжении, то логично будет разбить его на три платы (основная плата, плата управления, и низковольтный блок питания для неё) для исключения возможности пробоя между дорожками с высоким и низким напряжением и выхода устройства из строя.

Вот так выглядит разводка платы управления:

Для питания платы управления можно использовать любой блок питания на 24 В, с пульсациями не более 1 В в размахе, с задержкой прекращения подачи питания на 2−3 секунды с момента исчезновения питающего напряжения 220 В.

Блок питания можно собрать и самим по этой схеме:

Обратите внимание, что номиналы и названия всех радиокомпонентов на схемах уже подписаны, так что собрать по ним работающее устройство может даже начинающий радиолюбитель.

Перед тем как приступить к сборке преобразователя, убедитесь:

1. В наличии у вас всех необходимых компонентов;
2. В правильности разводки платы;
3. В наличии всех нужных отверстий для установки радиодеталей на плате;
4. В том, что не забыли залить в микроконтроллер прошивку из этого архива:

Если вы все сделали правильно и ничего не забыли, можете приступать к сборке.

После сборки у вас получится что-то похожее:

Теперь вам осталось проверить устройство: для этого подключаем двигатель к частотнику и подаем на него напряжение. После того как загорится светодиод, сигнализирующий о готовности, нажмите на кнопку «Пуск». Двигатель должен начать медленно вращаться. При удержании кнопки двигатель начинает разгоняться, при отпускании — поддерживает обороты на том уровне, до которого успел разогнаться. При нажатии кнопки «Сброс» двигатель останавливается с выбегом. Кнопка «Реверс» задействуется только при остановленном двигателе.

Если проверка прошла успешно, то можете начинать изготавливать корпус и собирать в нем частотник. Не забудьте сделать в корпусе отверстия для притока холодного и оттока горячего воздуха от радиатора IGBT транзисторов.

Частотник для однофазного двигателя

Преобразователь частоты для однофазного двигателя отличается от трехфазного тем, что имеет на выходе две фазы (ошибки тут нет, двигатель однофазный, при подключении без частотника рабочая обмотка подключается в сеть напрямую, а пусковая — через конденсатор; но при использовании частотника пусковая обмотка подключается через вторую фазу) и одну нейтраль — в отличие от трех фаз у последнего, так что сделать частотник для однофазного электродвигателя, используя в качестве основы схему от трехфазного, не получится, поэтому придется начинать все сначала.

В качестве мозга этого преобразователя мы будем использовать МК ATmega328 с загрузчиком ардуины. В принципе, это и есть Arduino, только без своей обвязки. Так что, если у вас в закромах завалялась ардуинка с таким микроконтроллером, можете смело выпаивать его и использовать для дела, предварительно залив на него скетч (прошивку) из этого архива:

К атмеге будет подключен драйвер IR2132, а уже к нему — мосфеты IRG4BC30, к которым мы подключим двигатель мощностью до 1 КВт включительно.

Схема частотного преобразователя для однофазного двигателя:

Также для питания ардуины (5в) и для питания силового реле (12в), нам понадобятся 2 стабилизатора. Вот их схемы:

Стабилизатор на 12 вольт.

Стабилизатор на 5 вольт.

Внимание! Эта схема не из простых. Возможно, придется настраивать и отлаживать прошивку для достижения полной работоспособности устройства, но это несложно, и мануалов по программированию Arduino в интернете — великое множество. К тому же сам скетч содержит довольно подробные комментарии к каждому действию. Но если для вас это слишком сложно, то вы можете попробовать найти такой частотник в магазине. Пусть они и не так распространены, как частотники для трехфазных двигателей, но купить их можно, пусть и не в каждом магазине.

Еще обратите внимание на то, что включать схему без балласта нельзя — сгорят выходные ключи. Балласт нужно подключать через диод, обращенный анодом к силовому фильтрующему конденсатору. Если подключите балласт без диода — опять выйдут из строя ключи.

Если вас все устраивает, можете приступать к изготовлению платы, а затем — к сборке всей схемы. Перед сборкой убедитесь в правильности разводки платы и отсутствии дефектов в ней, а также — в наличии у вас всех указанных на схеме радиодеталей. Также не забудьте установить IGBT-транзисторы на массивный радиатор и изолировать их от него путем использования термопрокладок и изолирующих шайб.

После сборки частотника можете приступать к его проверке. В идеале у вас должен получиться такой функционал: кнопка «S1» — пуск, каждое последующее нажатие добавляет определенное (изменяется путем редактирования скетча) количество оборотов; «S2» — то же самое, что и «S1», только заставляет двигатель вращаться в противоположном направлении; кнопка «S3» — стоп, при её нажатии двигатель останавливается с выбегом.

Обратите внимание, что реверс осуществляется через полную остановку двигателя, при попытке сменить направление вращения на работающем двигателе произойдет его мгновенная остановка, а силовые ключи сгорят от перегрузки. Если вам не жаль денег, которые придется потратить на замену мосфетов, то можете использовать эту особенность в качестве аварийного тормоза.

Возможные проблемы при проверке

Если при проверке частотника схема не заработала или заработала неправильно, значит, вы где-то допустили ошибку. Отключите частотник от сети и проверьте правильность установки компонентов, их исправность и отсутствие разрывов/замыканий дорожек там, где их быть не должно. После обнаружения неисправности устраните её и проверьте преобразователь снова. Если с этим все в порядке, приступайте к отладке прошивки.

Частотные преобразователи для промышленных электродвигателей, частотные регуляторы для насосов и вентиляторов

Частотные преобразователи и устройства плавного пуска для асинхронного электродвигателя это высокотехнологичное оборудование, позволяющее не только экономить электроэнергию и снижать нагрузку на оборудование и электрические сети вашего производства, а так же значительно снизить нагрузку на всю электрическую сеть нашей страны.

Наша компания относительно недавно на рынке регулируемого электропривода, но на протяжении этого времени зарекомендовала себя как надежный и качественный поставщик, о чем свидетельствуют отзывы наших партнеров, о которых есть информация на нашем сайте. Это конечно не все кто приобрел наше оборудование, по Вашему запросу мы готовы предоставить любые имеющиеся рекомендации. В производстве нашего оборудования используются комплектующие ведущих мировых производителей электронных компонентов и модулей, проверенных временем и тяжелыми условиями эксплуатации. Мы осуществляем модульную сборку своих приборов в России.

В распоряжении ООО «Лидер» имеется штат квалифицированных специалистов, а так же оборудование позволяющее тестировать преобразователи частоты и устройства плавного пуска в различных режимах, что позволяет гарантировать их надежность и работоспособность перед отгрузкой конечному потребителю. В настоящее время очень много предложений на рынке аналогичной продукции, может быть и по более привлекательной цене, но как показывает практика низкая цена, не всегда гарантирует заявленное качество оборудования и сервисного обслуживания. Мы не навязываем собственный продукт! Мы рекомендуем покупать продукцию ООО «Лидер». Конечный выбор за Вами!

Ниже представлены три линейки частотных преобразователей, каждая из которых содержит в себе весь спектр мощностей от 0,75 кВт до 630 кВт.

Серия А300 — для общепромышленной нагрузки

Общепромышленная серия преобразователей частоты подходит для оборудования с тяжелым пуском и высокой нагрузкой (станки, экструдеры, куттеры, компрессоры, конвейеры, погружные насосы и мн. др.). Преобразователь частоты с высокоточным пусковым моментом при низких скоростях (пусковой вращающий момент: 0.5Hz/150% (векторное управление), 1Hz/150% (U/f)), встроенным ПИД-регулятором (см. инструкцию по настройке), функции полной защиты двигателя с возможностью изменять параметры настройки, съемным выносным пультом управления, повышенным перегрузочным моментом до 200%, автоматическим подъемом крутящего момента, функцией коррекции скольжения, автоматическим регулированием напряжения (AVR) и встроенным интерфейсом RS-485.

Преобразователь частоты серии А300 имеет съемный пульт управления и может использоваться удаленно, до 60 метров от частотного преобразователя по витой паре без переходников и дополнительных модулей, усилителей сигнала.

Серия В600 — для вентиляторной нагрузки (Снят с производства)

Специальная вентиляторная серия преобразователей частоты предназначена для управления электродвигателями насосов, вентиляторов, дымососов и прочего оборудования. Инвертор имеет высокоточный пусковой момент при низких скоростях, встроенный ПИД-регулятор, функции полной защиты двигателя с возможностью изменять параметры настройки, перегрузочный момент до 180%, автоматический подъем крутящего момента, функцию коррекции скольжения, съемный выносной пульт управления, автоматическое регулирование напряжения (AVR) и встроенный интерфейс RS-485 (протокол Modbus-RTU)

В частотных преобразователях серии В600 мощностью от 18.5 кВт установлен двухстрочный пульт управления, который позволяет отслеживать два параметра одновременно.

Серия B601 — для вентиляторной нагрузки

Улучшенная серия для управления электродвигателями насосов, вентиляторов, дымососов и прочего оборудования. Инвертор имеет высокоточный пусковой момент при низких скоростях, Векторное управление, встроенный ПИД-регулятор, функции полной защиты двигателя с возможностью изменять параметры настройки, перегрузочный момент до 160%-1с, автоматический подъем крутящего момента, функцию коррекции скольжения, несущая частота 1-16 кГц, выходная частота 0-600Гц, съемный выносной пульт управления, автоматическое регулирование напряжения (AVR) и встроенный интерфейс RS-485 (протокол Modbus-RTU)

Серия B60 mini (Снят с производства)

Серия Мини используется для регулирования приводов с асинхронным электродвигателем, предназначена для управления приводами насосов, вентиляторов, лентопротяжных машин, транспортёров миксеров и т.д — для использования в системах малой автоматизации.

Частотник для трехфазного электродвигателя своими руками (схема)

С целью охраны окружающей среды везде вводятся правила, рекомендующие производителям электрооборудования выпускать продукцию, экономно расходующую электроэнергию. Зачастую это достигается эффективным управлением скорости электродвигателя.

Частотник для трехфазного электродвигателя или частотный преобразователь имеет множество наименований: инвертор, преобразователь частоты переменного тока, частотно регулируемый привод. На сегодняшний день частотники производят многие фирмы, но есть немало энтузиастов, создающих преобразователи своими руками.

Назначение и принцип работы инвертора

Инвертор управляет скоростью вращения асинхронных электродвигателей, т. е. двигателей, преобразующих энергию электрическую в механическую. Полученное вращение приводными устройствами трансформируется в другой вид движения. Это очень удобно и благодаря этому асинхронные электродвигатели приобрели большую популярность во всех областях человеческой жизни.

Важно отметить, что скорость вращения могут регулировать и другие устройства, но все они имеют множество недостатков:

• сложность в использовании,
• высокую цену,
• низкое качество работы,
• недостаточный диапазон регулирования.

Многим известно, что использование частотных преобразователей для регулировки скорости является самым эффективным методом. Это устройство обеспечивает плавный пуск и остановку, а также осуществляет контроль всех процессов, которые происходят в двигателе. Риск возникновения аварийных ситуаций, при использовании преобразователя частоты, крайне незначителен.

Для обеспечения плавной регулировки и быстродействия разработана специальная схема частотного преобразователя. Его использование в значительной мере увеличивает время непрерывной работы трехфазного двигателя и экономит электроэнергию. Преобразователь позволяет довести КПД до 98%. Это достигается увеличением частоты коммутации. Механические регуляторы на такое не способны.

Регулировка скорости инвертором

Первоначально он изменяет поступающее из сети напряжение. Затем из преобразованного напряжения формирует трехфазное, необходимой амплитуды и частоты, которое подается на электродвигатель.

Диапазон регулировки достаточно широкий. Есть возможность крутить ротор двигателя и в обратном направлении. Во избежание его поломки необходимо учитывать паспортные данные, где указаны максимально допустимые обороты и мощность в кВт.

Составные части регулируемого привода

Ниже представлена схема преобразователя частоты.

Он состоит из 3 преобразующих звеньев:

• выпрямителя, формирующего напряжение постоянного тока при подключении к питающей электросети, который может быть управляемым или неуправляемым,
• фильтра, сглаживающего уже выпрямленное напряжение (для этого применяют конденсаторы),
• инвертора, формирующего нужную частоту напряжения, являющегося последним звеном перед электродвигателем.

Режимы управления

Частотники различают по видам управления:

• скалярный тип (отсутствие обратной связи),
• векторный тип (наличие обратной связи, или ее отсутствие).

При первом режиме подлежит управлению магнитное поле статора. В случае векторного режима управления учитывается взаимодействие магнитных полей ротора и статора, оптимизируется момент вращения при работе на разной скорости. Это является главным различием двух режимов.

Кроме этого, векторный способ более точен, эффективен. Однако в обслуживании — более затратен. Рассчитан он на специалистов с большим багажом знаний и навыков. Скалярный способ проще. Он применим там, где параметры на выходе не требуют точной регулировки.

Подключение инвертора «звезда — треугольник»

После приобретения инвертора по доступной цене возникает вопрос: как подключить его к двигателю своими руками? Прежде чем это сделать будет нелишним поставить обесточивающий автомат. В случае возникновения короткого замыкания хотя бы в одной фазе, вся система будет немедленно отключена.

Подключение преобразователя к электродвигателю можно осуществить по схемам «треугольник» и «звезда».

Если регулируемый привод однофазный, клеммы электродвигателя подключают по схеме «треугольник». В этом случае потерь мощности не происходит. Максимальная мощность такого частотника 3 кВт.

Трехфазные инверторы более совершенны. Они получают питание от промышленных трехфазных сетей. Подключаются по схеме «звезда».

Чтобы ограничить пусковой ток и снизить пусковой момент во время запуска электродвигателя мощностью более 5 кВт используют вариант переключения «звезда-треугольник».

При пуске напряжения на статор используется вариант «звезда». Когда скорость двигателя станет номинальной, питание переключается на схему «треугольник». Но такой способ применяется там, где существует возможность подключения по обеим схемам.

Важно отметить, что в схеме «звезда-треугольник» резкие скачки токов неизбежны. В момент переключения на второй вариант скорость вращения резко снижается. Чтобы восстановить частоту оборотов, необходимо увеличить силу тока.

Наибольшей популярностью пользуются преобразователи для электродвигателей мощностью от 0,4 кВт до 7,5 кВт.

Инвертор своими руками

Наряду с выпуском промышленных инверторов многие изготавливают их своими руками. Особой сложности в этом нет. Такой частотник может преобразовать одну фазу в три. Электродвигатель с подобным преобразователем можно использовать в быту, тем более что мощность его не теряется.

Выпрямительный блок идет в схеме первым. Затем идут фильтрующие элементы, отсекающие переменную составляющую тока. Как правило, для изготовления таких инверторов используют IGBT-транзисторы. Цена всех составляющих частотника, изготовленного своими руками, намного меньше цены готового производственного изделия.

Частотники подобного типа пригодны для электродвигателей мощностью от 0,1 кВт до 0,75 кВт

Использование современных инверторов

Современные преобразователи производятся с использованием микроконтроллеров. Это намного расширило функциональные возможности инверторов в области алгоритмов управления и контроля за безопасностью работы.

Преобразователи с большим успехом применяют в следующих областях:

• в системах водоснабжения, теплоснабжения для регулирования скорости насосов горячей и холодной воды,
• в машиностроении,
• в текстильной промышленности,
• в топливно-энергетической области,
• для скважинных и канализационных насосов,
• для автоматизации систем управления технологическими процессами.

Цены источников бесперебойного питания напрямую зависят от наличия в нем частотника. Они становятся «проводниками» в будущее. Благодаря им, малая энергетика станет наиболее развитой отраслью экономики.

Преобразователи частоты | INSTART

Данная политика конфиденциальности относится к сайту под доменным именем instart-info.ru. Эта страница содержит сведения о том, какую информацию мы (администрация сайта) или третьи лица могут получать, когда вы пользуетесь нашим сайтом.

Данные, собираемые при посещении сайта

Персональные данные

Персональные данные при посещении сайта передаются пользователем добровольно, к ним могут относиться: имя, фамилия, отчество, номера телефонов, адреса электронной почты, адреса для доставки товаров или оказания услуг, реквизиты компании, которую представляет пользователь, должность в компании, которую представляет пользователь, аккаунты в социальных сетях; поля форм могут запрашивать и иные данные.

Эти данные собираются в целях оказания услуг или продажи товаров, связи с пользователем или иной активности пользователя на сайте, а также, чтобы отправлять пользователям информацию, которую они согласились получать.

Мы не проверяем достоверность оставляемых данных, однако не гарантируем качественного исполнения заказов или обратной связи с нами при некорректных данных.

Данные собираются имеющимися на сайте формами для заполнения (например, регистрации, оформления заказа, подписки, оставления отзыва, обратной связи и иными).

Формы, установленные на сайте, могут передавать данные как напрямую на сайт, так и на сайты сторонних организаций (скрипты сервисов сторонних организаций).

Также данные могут собираться через технологию cookies (куки) как непосредственно сайтом, так и скриптами сервисов сторонних организаций. Эти данные собираются автоматически, отправку этих данных можно запретить, отключив cookies (куки) в браузере, в котором открывается сайт.

Не персональные данные

Кроме персональных данных при посещении сайта собираются не персональные данные, их сбор происходит автоматически веб-сервером, на котором расположен сайт, средствами CMS (системы управления сайтом), скриптами сторонних организаций, установленными на сайте. К данным, собираемым автоматически, относятся: IP адрес и страна его регистрации, имя домена, с которого вы к нам пришли, переходы посетителей с одной страницы сайта на другую, информация, которую ваш браузер предоставляет добровольно при посещении сайта, cookies (куки), фиксируются посещения, иные данные, собираемые счетчиками аналитики сторонних организаций, установленными на сайте.

Эти данные носят неперсонифицированный характер и направлены на улучшение обслуживания клиентов, улучшения удобства использования сайта, анализа посещаемости.

Предоставление данных третьим лицам

Мы не раскрываем личную информацию пользователей компаниям, организациям и частным лицам, не связанным с нами. Исключение составляют случаи, перечисленные ниже.

Данные пользователей в общем доступе

Персональные данные пользователя могут публиковаться в общем доступе в соответствии с функционалом сайта, например, при оставлении отзывов, может публиковаться указанное пользователем имя, такая активность на сайте является добровольной, и пользователь своими действиями дает согласие на такую публикацию.

По требованию закона

Информация может быть раскрыта в целях воспрепятствования мошенничеству или иным противоправным действиям; по требованию законодательства и в иных случаях, предусмотренных законом.

Для оказания услуг, выполнения обязательств

Пользователь соглашается с тем, что персональная информация может быть передана третьим лицам в целях оказания заказанных на сайте услуг, выполнении иных обязательств перед пользователем. К таким лицам, например, относятся курьерская служба, почтовые службы, службы грузоперевозок и иные.

Сервисам сторонних организаций, установленным на сайте

На сайте могут быть установлены формы, собирающие персональную информацию других организаций, в этом случае сбор, хранение и защита персональной информации пользователя осуществляется сторонними организациями в соответствии с их политикой конфиденциальности.

Сбор, хранение и защита полученной от сторонней организации информации осуществляется в соответствии с настоящей политикой конфиденциальности.

Как мы защищаем вашу информацию

Мы принимаем соответствующие меры безопасности по сбору, хранению и обработке собранных данных для защиты их от несанкционированного доступа, изменения, раскрытия или уничтожения, ограничиваем нашим сотрудникам, подрядчикам и агентам доступ к персональным данным, постоянно совершенствуем способы сбора, хранения и обработки данных, включая физические меры безопасности, для противодействия несанкционированному доступу к нашим системам.

Ваше согласие с этими условиями

Используя этот сайт, вы выражаете свое согласие с этой политикой конфиденциальности. Если вы не согласны с этой политикой, пожалуйста, не используйте наш сайт. Ваше дальнейшее использование сайта после внесения изменений в настоящую политику будет рассматриваться как ваше согласие с этими изменениями.

Отказ от ответственности

Политика конфиденциальности не распространяется ни на какие другие сайты и не применима к веб-сайтам третьих лиц, которые могут содержать упоминание о нашем сайте и с которых могут делаться ссылки на сайт, а также ссылки с этого сайта на другие сайты сети Интернет. Мы не несем ответственности за действия других веб-сайтов.

Изменения в политике конфиденциальности

Мы имеем право по своему усмотрению обновлять данную политику конфиденциальности в любое время. В этом случае мы опубликуем уведомление на главной странице нашего сайта. Мы рекомендуем пользователям регулярно проверять эту страницу для того, чтобы быть в курсе любых изменений о том, как мы защищаем информацию пользователях, которую мы собираем. Используя сайт, вы соглашаетесь с принятием на себя ответственности за периодическое ознакомление с политикой конфиденциальности и изменениями в ней.

Как с нами связаться

Если у вас есть какие-либо вопросы о политике конфиденциальности, использованию сайта или иным вопросам, связанным с сайтом, свяжитесь с нами:

8 800 222 00 21

[email protected]

Частотные преобразователи | Компания ЭЛИТА

Чтобы сделать заказ быстро, по самым низким ценам, свяжитесь с нами по указанным телефонам:

Вся Россия 8 (800) 550-00-82

Москва 8 (495) 648-78-02

Санкт-Петербург 8 (812) 334-42-04

 

 

Электронная почта: [email protected]

Частотные преобразователи

Частотный преобразователь  — устройство, которое в комплекте с  асинхронным двигателем переменного тока способно служить полноценной заменой двигателю постоянного тока. Как известно, частота вращения ротора двигателя постоянного тока достаточно просто регулируется, но сам двигатель ненадежен в эксплуатации, энергозатратен и имеет большие габариты и стоимость. Асинхронный электродвигатель, в отличие от двигателя постоянного тока, дешев, надежен, имеет небольшие размеры и может эксплуатироваться в сильно запыленной и взрывоопасной среде. При этом асинхронные двигатели имеют существенные недостатки – невозможность регулирования частоты вращения ротора и пусковой ток, в несколько раз превышающий номинальный. Известные механические схемы ликвидации этих проблем (с использованием вариаторов, редукторов, дросселей), приводят к резкому увеличению стоимости электропривода, большим потерям энергии и низкой эффективности. Поэтому чаще всего для регулирования частоты асинхронного двигателя и избавления от пусковых токов используют частотный преобразователь.

Современный частотный преобразователь двигателя высокотехнологичен, имеет невысокую стоимость, прост в эксплуатации, и, благодаря широкому модельному ряду и вариативности способов электронного управления, легко встраивается в любую технологическую схему. Кроме того, он уменьшает энергопотребление и механическую нагрузку на электродвигатель, что увеличивает срок его эксплуатации.

Частотный преобразователь двигателя имеет несколько  видов классификации.

По типу преобразования энергии он может быть  одноступенчатым и двухступенчатым.  Второй тип более распространен и включает частотные преобразователи, в которых электрическая  знергия преобразуется два раза. Вначале с помощью выпрямителя, преобразующего переменный ток в постоянный, а затем  —  инвертора, делающего обратное преобразование.

В зависимости от способа управления асинхронным двигателем, преобразователи частоты делятся на скалярные и векторные.

В преобразователе частоты со скалярным методом управления отношение максимального момента двигателя к моменту сопротивления на валу поддерживается постоянным, а любое изменение частоты приводит к изменению напряжения. Преобразователь частоты такого типа имеет диапазон регулирования скорости вращения ротора 1:40 и чаще всего используется в вентиляторных, насосных системах или системах управления несколькими двигателями.

Векторный частотный преобразователь может не только увеличить диапазон регулирования скорости ротора до 1:1000, но также точность и быстродействие управления. Принцип действия такого преобразователя частоты связан с непосредственным управлением вращающим моментом асинхронного двигателя, при котором учитывается не только фаза и амплитуда статорного тока, но и его вектор.

Стандартная электрическая схема  частотного преобразователя включает выпрямитель и инвертор —  для прямого и обратного преобразования переменного тока, а также микропроцессоры и IBGT-транзисторы для широтно-импульсной модуляции (ШИМ), которая позволяет регулировать выходное напряжение без изменения входного. Такая схема преобразователя относится к наиболее распространенной среди компаний – производителей, так как использует новую элементную базу, позволяющую снизить цену частотного преобразователя.

К ведущим мировым производителям преобразователей частоты относятся компании Schneider Electric и Danfoss, продукция которых широко представлена в нашем прайс каталоге. Цена частотного преобразователя не превышает стоимостной предел, обычный для  приборов этого класса, и быстро окупается. Это связано, в первую очередь с высокой эффективностью частотного преобразователя и  50% экономией энергии при его использовании.

Вся предлагаемая продукция компаний  Danfoss и Schneider Electric               сертифицирована.   

Данные обновлены 01.08.21    Рублевые цены расcчитаны по курсу ЦБ +5% 1€ = 91,2055 р. 1$ = 76,8499 р.

Частотные преобразователи — структура, принцип работы

Внимание! Приведенная ниже информация носит теоретический характер. Если Вам необходимо решить конкретную задачу или разобраться как и какое оборудование следует применить в Вашем случае, воспользуйтесь бесплатной консультацией связавшись с нами одним из указанных вверху данной страницы или на странице «Контакты» способов, либо заполните опросный лист. Инженер службы технической поддержки направит Вам рекомендации на указанный Вами адрес электронной почты. 

 

Частотные преобразователи – это устройства, предназначенные для преобразования переменного тока (напряжения) одной частоты в переменный ток (напряжение) другой частоты.

 

Выходная частота в современных преобразователях может изменяться в широком диапазоне и быть как выше, так и ниже частоты питающей сети.

 

Схема любого преобразователя частоты состоит из силовой и управляющей частей. Силовая часть обычно выполнена на тиристорах или транзисторах, которые работают в режиме электронных ключей. Управляющая часть выполняется на цифровых микропроцессорах и обеспечивает управление силовыми электронными ключами, а также решение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика, защита).

 

Частотные преобразователи, применяемые в регулируемом электроприводе, в зависимости от структуры и принципа работы силовой части разделяются на два класса:

1. С явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.
2. С с непосредственной связью (без промежуточного звена постоянного тока).
   • Практически самый высокий КПД относительно других преобразователей (98,5% и выше).
   • Способность работать с большими напряжениями и токами, что делает возможным их использование в мощных высоковольтных приводах, относительная дешевизна, несмотря на увеличение абсолютной стоимости за счет схем управления и дополнительного оборудования.

 

Каждый из существующих классов имеет свои достоинства и недостатки, которые определяют область рационального применения каждого из них.

 

Исторически первыми появились преобразователи с непосредственной связью (рис. 4.), в которых силовая часть представляет собой управляемый выпрямитель и выполнена на не запираемых тиристорах. Система управления поочередно отпирает группы тиристоров и подключает статорные обмотки двигателя к питающей сети.

 

 

 

 

  

Таким образом, выходное напряжение преобразователя формируется из «вырезанных» участков синусоид входного напряжения. На рис.5. показан пример формирования выходного напряжения для одной из фаз нагрузки. На входе выигрывают у тиристорных действует трехфазное синусоидальное напряжение uа, uв, uс. Выходное напряжение uвых имеет несинусоидальную «пилообразную» форму, которую условно можно аппроксимировать синусоидой (утолщенная линия). Из рисунка видно, что частота выходного напряжения не может быть равна или выше частоты питающей сети. Она находится в диапазоне от 0 до 30 Гц. Как следствие малый диапазон управления частоты вращения двигателя (не более 1: 10). Это ограничение не позволяет применять такие преобразователи в современных частотно регулируемых приводах с широким диапазоном регулирования технологических параметров.

 

Использование не запираемых тиристоров требует относительно сложных систем управления, которые увеличивают стоимость преобразователя.

 

«Резаная» синусоида на выходе преобразователя является источником высших гармоник, которые вызывают дополнительные потери в электрическом двигателе, перегрев электрической машины, снижение момента, очень сильные помехи в питающей сети. Применение компенсирующих устройств приводит к повышению стоимости, массы, габаритов, понижению к.п.д. системы в целом.

 

Наряду с перечисленными недостатками преобразователей с непосредственной связью, они имеют определенные достоинства. К ним относятся:

 

Подобные схемы преобразователей используются в старых приводах и новые конструкции их практически не разрабатываются.

 

Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых приводах находят частотники с явно выраженным звеном постоянного тока (рис. 6.)

 

В частотных преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе (В), фильтруется фильтром (Ф), сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором (И) в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению к.п.д. и к некоторому ухудшению массогабаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.

 

Для формирования синусоидального переменного напряжения используются автономные инверторы напряжения и автономные инверторы тока.

 

В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные модификации GCT, IGCT, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.

 

Главным достоинством тиристорных преобразователей частоты, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия.

 

Они имеют более высокий КПД (до 98%) по отношению к преобразователям на IGBT транзисторах (95 – 98%).

 

Преобразователи частоты на тиристорах в настоящее время занимают доминирующее положение в высоковольтном приводе в диапазоне мощностей от сотен киловатт и до десятков мегаватт с выходным напряжением 3 — 10 кВ и выше. Однако их цена на один кВт выходной мощности самая большая в классе высоковольтных преобразователей.

 

До недавнего прошлого преобразователи частоты на GTO составляли основную долю и в низковольтном частотно регулируемом приводе. Но с появлением IGBT транзисторов произошел «естественный отбор» и сегодня преобразователи на их базе общепризнанные лидеры в области низковольтного частотно регулируемого привода.

 

Тиристор является полууправляемым приборам: для его включения достаточно подать короткий импульс на управляющий вывод, но для выключения необходимо либо приложить к нему обратное напряжение, либо снизить коммутируемый ток до нуля. Для этого в тиристорном преобразователе частоты требуется сложная и громоздкая система управления.

 

Биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT отличают от тиристоров полная управляемость, простая не энергоемкая система управления, самая высокая рабочая частота.

 

Вследствие этого преобразователи частоты на IGBT позволяют расширить диапазон управления скорости вращения двигателя, повысить быстродействие привода в целом.

 

Для асинхронного электропривода с векторным управлением преобразователи на IGBT позволяют работать на низких скоростях без датчика обратной связи.

 

Применение IGBT с более высокой частотой переключения в совокупности с микропроцессорной системой управления в частотных преобразователях снижает уровень высших гармоник, характерных для тиристорных преобразователей. Как следствие меньшие добавочные потери в обмотках и магнитопроводе электродвигателя, уменьшение нагрева электрической машины, снижение пульсаций момента и исключение так называемого «шагания» ротора в области малых частот. Снижаются потери в трансформаторах, конденсаторных батареях, увеличивается их срок службы и изоляции проводов, уменьшаются количество ложных срабатываний устройств защиты и погрешности индукционных измерительных приборов.

 

Частотные преобразователи на транзисторах IGBT по сравнению с тиристорными преобразователями при одинаковой выходной мощности отличаются меньшими габаритами, массой, повышенной надежностью в силу модульного исполнения электронных ключей, лучшего теплоотвода с поверхности модуля и меньшего количества конструктивных элементов.

 

Они позволяют реализовать более полную защиту от бросков тока и от перенапряжения, что существенно снижает вероятность отказов и повреждений электропривода.

 

На настоящий момент низковольтные преобразователи на IGBT имеют более высокую цену на единицу выходной мощности, вследствие относительной сложности производства транзисторных модулей. Однако по соотношению цена/качество, исходя из перечисленных достоинств, они явно выигрывают у тиристорных, кроме того, на протяжении последних лет наблюдается неуклонное снижение цен на IGBT модули.

 

Главным препятствием на пути их использования в высоковольтном приводе с прямым преобразованием частоты и при мощностях выше 1 – 2 МВт на настоящий момент являются технологические ограничения. Увеличение коммутируемого напряжения и рабочего тока приводит к увеличению размеров транзисторного модуля, а также требует более эффективного отвода тепла от кремниевого кристалла.

 

Новые технологии производства биполярных транзисторов направлены на преодоление этих ограничений, и перспективность применения IGBT очень высока также и в высоковольтном приводе. В настоящее время IGBT транзисторы применяются в высоковольтных преобразователях в виде последовательно соединенных нескольких единичных модулей.

 

Структура и принцип работы низковольтного преобразователя частоты на IGBT транзисторах

Типовая схема низковольтного преобразователя частоты представлена на рис. 7. В нижней части рисунка изображены графики напряжений и токов на выходе каждого элемента инвертора.

 

Переменное напряжение питающей сети (uвх.)с постоянной амплитудой и частотой (U вх = const, f вх = const) поступает на управляемый или неуправляемый выпрямитель (1).

 

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (uвыпр.) используется фильтр (2). Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока.

 

С выхода фильтра постоянное напряжение u d поступает на вход автономного импульсного инвертора (3).

 

Автономный инвертор современных низковольтных преобразователей, как было отмечено, выполняется на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT. На рассматриваемом рисунке изображена схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения как получившая наибольшее распространение.

 

 

В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения ud в трехфазное (или однофазное) импульсное напряжение u и изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечивается в середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя.Амплитуда и частота напряжения определяются параметрами модулирующей синусоидальной функции.

 

При высокой несущей частоте ШИМ (2 … 15 кГц) обмотки двигателя вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи.

 

В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем (1) изменение амплитуды напряжения uи может достигаться регулированием величины постоянного напряжения ud, а изменение частоты – режимом работы инвертора.

 

При необходимости на выходе автономного инвертора устанавливается фильтр (4) для сглаживания пульсаций тока. (В схемах преобразователей на IGBT в силу низкого уровня высших гармоник в выходном напряжении потребность в фильтре практически отсутствует.)

 

Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (вых = var, f вых = var).

 

---

Сделать заказ на частотный преобразователь

	Bosch Rexroth KEB Control Techniques Parker Частотные преобразователи Широкий спектр качественных частотных преобразователей, услуги по подбору и модернизации станков и механизмов. Осуществляем официальные поставки по наилучшим ценам. Официальная поддержка клиентов и официальная гарантия.		Motovario Wittenstein Alpha KEB Apex Мотор редукторы и редукторы Осуществляем поставки редукторов и мотор-редукторов разных типов от ведущих производителей. Производим полный комплекс услуг по подбору редукторов, оказываем консультации для клиентов.
	Абсолютные энкодеры Инкрементальные энкодеры Магнитные линейки Энкодеры, счетчики импульсов, токосъемники, индикаторы и пр. Поставляем официально все типы высокоэффективных энкодеров и индикаторов всех типов. Осуществляем оперативный подбор энкодеров под задачи заказчика.		СТМЛ-1, ШМ-2, СТМ-2 СТМТ-2, MP-25, MTP-1 Системы линейного перемещения и модули линейного перемещения Разрабатываем и производим широкий спектр модулей и систем линейного перемещения. Производим системы линейных перемещений по индивидуальным заказам. Оказываем полный комплекс услуг по разработке и производству.
	Техника линейных перемещений Рельсовые направляющие SBC Цилиндрические направляющие Миниатюрные направляющие MID ШВП Техника и механические компоненты для систем линейных перемещений Разрабатываем и поставляем комплектующие для систем линейного перемещения. Производим системы линейных перемещений по индивидуальным проектам.		Винтовые домкраты ZIMM Компоненты привода и трансмиссии ZIMM Домкраты и подъемно-транспортные механизмы Осуществляем поставки промышленных домкратов для производственных нужд, прецизионные домкраты. Предлагаем компоненты приводов и трансмиссии.
	Системы управления Контроллеры Fatek ЧПУ Delta Tau ЧПУ «СервоКон 2000» Системы управления, панели операторов Цифровые системы управления, современные системы ЧПУ, HMI и пр. Оказываемо полный комплекс услуг для систем ЧПУ. Осуществляем разработки и модернизации собственной высокоэффективной системы ЧПУ «Сервокон».		Гибкие кабель-каналы CPS Гофрозащита CPS Flex Системы защиты кабелей, кабель-каналы Широкий спектр систем защиты кабелей, высоконадежные кабель-каналы для промышленного производства, гибкие кабель-каналы для жестких условий эксплуатации или специального назначения.

НИОКР

Производим НИОКР, осуществляем услуги по разработке, проектированию, пуско-наладке широкого спектра механизмов, узлов, оборудования и станков. Осуществляем разработку, доработку, модернизацию и производство станков и механизмов, в том числе специального назначения (с уникальными характеристиками и/или функционалом) на базе собственного производства в России. Опыт работы более 15 лет.

НИОКР (что такое НИОКР?), определения, основные понятия, эффективность НИОКР.

НИОКР. Проекты НИОКР. Услуги НИОКР.

Заказать услуги НИОКР. Осуществление НИОКР.

НИОКР — Получить более подробную информацию о реализованных проектах.

Цепь однофазного частотно-регулируемого привода

VFD

В посте обсуждается однофазная схема частотно-регулируемого привода или схема частотно-регулируемого привода для управления скоростью двигателя переменного тока, не влияя на их рабочие характеристики.

Что такое VFD

Двигатели и другие подобные индуктивные нагрузки особенно не «любят» работу с частотами, которые могут выходить за рамки их производственных спецификаций, и, как правило, становятся неэффективными, если вынуждены делать это в таких ненормальных условиях.

Например, двигатель, предназначенный для работы с частотой 60 Гц, не может быть рекомендован для работы с частотами 50 Гц или другими диапазонами.

Это может привести к нежелательным результатам, таким как нагрев двигателя, более низкие или высокие скорости, чем требуемые, и аномально высокое потребление, что делает работу очень неэффективной и снижает срок службы подключенного устройства.

Однако работа двигателей при различных условиях входной частоты часто становится вынужденной, и в таких ситуациях частотно-регулируемый привод или схема привода с переменной частотой могут стать очень удобными.

VFD — это устройство, которое позволяет пользователю управлять скоростью двигателя переменного тока, регулируя частоту и напряжение входного источника питания в соответствии со спецификациями двигателя.

Это также означает, что частотно-регулируемый привод позволяет нам управлять любым двигателем переменного тока через любую доступную сеть переменного тока, независимо от его характеристик напряжения и частоты, путем соответствующей настройки частоты и напряжения частотно-регулируемого привода в соответствии со спецификациями двигателя.

Обычно это делается с использованием данного элемента управления в виде регулируемой ручки, масштабируемой с помощью другой калибровки частоты.

Создание ЧРП в домашних условиях может показаться сложной задачей, однако взгляд на конструкцию, предложенную ниже, показывает, что, в конце концов, собрать это очень полезное устройство (разработанное мной) не так уж и сложно.

Работа схемы

Схема может быть принципиально разделена на два этапа: этап полубижного драйвера и этап логического генератора ШИМ.

В каскаде драйвера полумоста используется микросхема драйвера полумоста IR2110, которая в одиночку заботится о каскаде привода высокого напряжения, включая два МОП-транзистора с высокой и низкой стороны соответственно.

ИС драйвера, таким образом, является сердцем схемы, но для реализации этой важной функции требуется всего несколько компонентов.

Однако вышеуказанная ИС потребует высокой логики и низкой логики по частотам для управления подключенной нагрузкой на желаемой конкретной частоте.

Эти входные логические сигналы высокого и низкого уровня становятся рабочими данными для ИС драйвера и должны включать в себя сигналы для определения заданной частоты, а также ШИМ в фазе с сетевым переменным током.

Приведенная выше информация создается другим каскадом, состоящим из пары 555 микросхем и декадного счетчика.IC 4017.

Две микросхемы 555 отвечают за генерацию модифицированных синусоидальных ШИМ, соответствующих двухполупериодной выборке переменного тока, полученной с выхода понижающего мостового выпрямителя.

IC4017 функционирует как логический генератор на выходе тотемного полюса, чья переменная частота становится параметром, определяющим ОСНОВНУЮ частоту схемы.

Эта определяющая частота снимается с вывода №3 IC1, который также питает вывод запуска IC2, и для создания модифицированных ШИМ на выводе №3 IC2.

Модифицированные синусоидальные ШИМ сканируются на выходах микросхемы 4017 перед подачей на IR2110, чтобы наложить точную «печать» модифицированных ШИМ на выходе драйвера полумоста и, в конечном итоге, для двигателя, который работает.

Cx и значения потенциометра 180k должны быть соответствующим образом выбраны или отрегулированы, чтобы обеспечить правильную заданную частоту для двигателя.

Высокое напряжение на стоке МОП-транзистора верхнего плеча также должно быть рассчитано соответствующим образом и получено путем выпрямления доступного сетевого напряжения переменного тока после соответствующего повышения или понижения в соответствии со спецификациями двигателя.

Приведенные выше настройки определяют правильное значение вольт на герц (В / Гц) для конкретного двигателя.

Напряжение питания для обеих ступеней может быть объединено в общую линию, одинаковую для заземления.

TR1 — это понижающий трансформатор 0–12 В / 100 мА, который обеспечивает схемы необходимыми рабочими напряжениями питания.

Схема ШИМ-контроллера

Вам нужно будет соответствующим образом интегрировать выходы от IC 4017 из приведенной выше схемы во входы HIN и LIN на следующей схеме.Кроме того, подключите указанные диоды 1N4148 на приведенной выше схеме с затворами полевого МОП-транзистора нижнего уровня, как показано на схеме ниже.

Драйвер двигателя полного моста

Обновление:

Обсуждаемая выше простая конструкция с одним ЧРП может быть дополнительно упрощена и улучшена с помощью автоколебательной полной мостовой ИС IRS2453, как показано ниже:

Здесь IC 4017 полностью устранены, поскольку драйвер полного моста оснащен собственным каскадом генератора, и поэтому для этой ИС не требуется внешнего запуска.

Будучи полностью мостовой конструкцией, выходной регулятор двигателя имеет полный диапазон регулировки от нуля до максимальной скорости.

Потенциал на выводе № 5 микросхемы IC 2 может использоваться для управления скоростью и крутящим моментом двигателя с помощью метода ШИМ.

Для управления скоростью В / Гц Rt / Ct, связанные с IRS2453 и R1, связанные с IC1, могут быть соответственно настроены (вручную) для получения подходящих результатов.

Упрощение еще больше

Если вы обнаружите, что полная секция моста перегружает вас, вы можете заменить ее полной мостовой схемой на основе P, N-MOSFET, как показано ниже.Этот частотно-регулируемый драйвер использует ту же концепцию, за исключением секции драйвера полного моста, в которой используются полевые МОП-транзисторы с P-каналом на верхней стороне и N-канальные МОП-транзисторы на нижней стороне.

Хотя конфигурация может выглядеть неэффективной из-за использования полевых МОП-транзисторов с P-каналом (из-за их высокого рейтинга RDSon), использование множества параллельных полевых МОП-транзисторов с P-каналом может показаться эффективным подходом для решения проблемы с низким уровнем RDSon.

Здесь 3 полевых МОП-транзистора используются параллельно для устройств с P-каналом, чтобы обеспечить минимальный нагрев устройств, наравне с N-канальными аналогами.

Как выбрать частотно-регулируемый привод | Library.AutomationDirect

Может возникнуть соблазн выбрать частотно-регулируемый привод (VFD) только исходя из мощности. Знаете ли вы, что есть еще шесть факторов, которые следует учитывать, чтобы выбрать правильный привод переменного тока для вашего приложения?

При выборе частотно-регулируемого привода следует учитывать шесть факторов:

• Сила тока при полной нагрузке
• Перегрузка
• Тип приложения
• Высота
• Температура
• Несущая частота

Прочтите ниже, чтобы узнать больше о различных факторах:

Сила тока полной нагрузки

Первый шаг в этом процессе — убедиться, что привод может справиться с потребляемым двигателем током.Проверьте паспортную табличку двигателя на соответствие требованиям к току полной нагрузки, затем найдите привод, который рассчитан как минимум на такой большой ток. Если вы питаете привод однофазным питанием, обязательно используйте номиналы привода для однофазного тока. Приводы с регулируемой частотой значительно снижены для работы в однофазном режиме. ПРИМЕЧАНИЕ. Все двигатели переменного тока, используемые с частотно-регулируемыми приводами, должны быть трехфазными. ЧРП всегда создают трехфазный выход для двигателя, даже если привод питается от однофазного источника питания.

Перегрузка

Убедитесь, что привод может выдерживать любые условия перегрузки, которые могут возникнуть во время запуска или периодической дополнительной нагрузки.Возможно, вам придется увеличить размер диска, пока не найдете тот, который с ним справится. Многие приложения испытывают временную перегрузку из-за требований запуска или ударной нагрузки. Большинство приводов переменного тока рассчитаны на работу при 150% перегрузке в течение 60 секунд. Если приложение требует перегрузки более 150% или более 60 секунд, привод переменного тока должен быть увеличен. ПРИМЕЧАНИЕ: Приложения, требующие замены существующих пускателей двигателей на приводы переменного тока, могут потребовать перегрузки до 600%.

Тип приложения

Существует два типа приложений: с переменным крутящим моментом (VT) и с постоянным крутящим моментом (CT), и для каждого из них отдельные характеристики.Используйте номинальные значения VT для вентиляторов и насосов или ознакомьтесь с номинальными значениями CT для конвейеров и общего управления машиной. Важно знать тип приложения, потому что спецификации привода организованы соответствующим образом. Если вы не уверены, какой из них использовать, рекомендуется использовать CT.

Высота

Высота, на которой вы используете VFD, также влияет на охлаждение. С увеличением высоты воздух становится менее плотным. Это уменьшение плотности воздуха снижает охлаждающие свойства воздуха.Большинство частотно-регулируемых приводов рассчитаны на работу со 100% нагрузкой на высоте до 1000 м. Если вы находитесь на большей высоте, необходимо увеличить размер привода, чтобы компенсировать уменьшение охлаждения.

Температура Приводы переменного тока

выделяют значительное количество тепла и могут привести к тому, что внутренняя температура корпуса превысит номинальную температуру привода. Может потребоваться вентиляция и / или охлаждение корпуса. Выполните измерения / расчеты для максимальной ожидаемой температуры окружающей среды. ПРИМЕЧАНИЕ. Приводы GS4 можно устанавливать «на фланец». Этот метод монтажа через стену позволяет расположить ребра радиатора привода снаружи корпуса. Это резко снижает тепловую нагрузку внутри корпуса.

Несущая частота

Как правило, вы хотите найти самую низкую несущую частоту, с которой может работать ваш двигатель. В большинстве случаев несущая частота по умолчанию будет работать нормально, но если вам нужно уменьшить слышимый шум, тепловыделение или энергопотребление, убедитесь, что вы можете изменить несущую частоту для привода.

Для получения дополнительной информации посмотрите подробное видео ниже о выборе частотно-регулируемого привода или посетите https://www.automationdirect.com/drives.

Чтобы прочитать больше статей о частотно-регулируемых приводах, щелкните здесь.

Система частотно-регулируемого привода (VFD)

В этом руководстве мы узнаем об электродвигателях, что такое частотно-регулируемый привод, работе системы регулируемого частотного привода и преимуществах использования частотно-регулируемого привода в управлении промышленными процессами.

Введение

Электродвигатели — это рабочие лошадки в промышленности. Они преобразуют электрическую энергию в механическую с очень высокой эффективностью. Электродвигатели охватывают большинство потребителей энергии, и поэтому они имеют широкий диапазон применений, начиная от промышленного производства и обработки до коммерческих и бытовых условий.

Электродвигатели обычно применяются в насосах, вентиляторах, смесителях, компрессорах, конвейерах, мельницах, кранах, автомобилях, станках и т. Д.Столь широкий спектр применения электродвигателей неудивительно, учитывая их невысокую стоимость, высокую надежность и простоту.

В основном, все асинхронные двигатели переменного тока являются машинами с постоянной скоростью, когда они работают от основного источника питания (с соответствующим пусковым механизмом). Фактически разница в скорости от нагрузки до полной составляет максимум 5%.

Часто желательно использовать двигатель с переменной скоростью для различных целей, таких как экономия энергии, повышение эффективности, управление крутящим моментом процесса и т. Д.Автоматизация производственных процессов привела к созданию частотно-регулируемых приводов двигателей переменного тока.

Частотно-регулируемый привод (VFD) — это метод, который часто используется для достижения регулируемой скорости вращения двигателей переменного тока для управления их скоростью, а также крутящим моментом.

Потребность в частотно-регулируемых приводах

Прежде чем вдаваться в подробности системы частотно-регулируемого привода, давайте взглянем на необходимость работы с регулируемой скоростью электродвигателя.

Как упоминалось ранее, все электродвигатели переменного тока являются машинами с постоянной скоростью, и такие электродвигатели с постоянной скоростью используются в различных областях, таких как конвейеры, демпферы, клапаны и т. Д.Например. Но необходимость управления скоростью и крутящим моментом электродвигателей также важна.

Рассмотрим простой пример электромобиля. Сегодня многие производители автомобилей после успеха Tesla производят все электромобили, работающие от батарей и электродвигателя. Очевидно, что скорость автомобиля должна постоянно контролироваться водителем в зависимости от условий движения, ограничения скорости, трассы и т. Д., Чтобы избежать столкновения.

Это означает, что автомобиль должен запускаться, ускоряться, замедляться и останавливаться, когда это необходимо.В зависимости от того, насколько нажата педаль акселератора, меняется скорость автомобиля. Эта неотъемлемая часть нашей жизни (или, по крайней мере, тех, кто владеет электромобилем), по сути, является системой регулирования скорости.

В приведенном выше примере необходимость управления скоростью и крутящим моментом двигателя очень важна. Еще одна важная потребность в приводах с регулируемой скоростью, таких как частотно-регулируемые приводы, заключается в экономии значительного количества энергии, поскольку электродвигатели являются одними из основных потребителей энергии в промышленности, и наличие эффективного процесса очень важно.

ВАЖНОЕ ПРИМЕЧАНИЕ: Все электродвигатели, упомянутые в этом руководстве, являются трехфазными двигателями переменного тока (обычно это двигатели с короткозамкнутым ротором), если не указано иное.

Типы приводов с регулируемой скоростью

Привод с регулируемой скоростью можно получить разными способами. Ниже приводится список трех основных категорий приводов с регулируемой скоростью и некоторых методов, используемых в каждой категории.

Механический привод с регулируемой скоростью

• Системы ременного или цепного привода с регулируемым диаметром шкива.
• Металлические фрикционные приводы

Гидравлический привод с регулируемой скоростью

• Типы гидростатических приводов
• Типы гидродинамических приводов

Электромагнитный

Электрический привод с регулируемой скоростью

• Двигатель Schrage (электродвигатель переменного тока)
• Ward Электродвигатель переменного тока — генератор постоянного тока — электродвигатель постоянного тока)
• Преобразователь переменного напряжения с электродвигателем постоянного тока
• Преобразователь частоты с электродвигателем переменного тока
• Управление скольжением с асинхронным электродвигателем с фазным ротором (электродвигатель с токосъемным кольцом)
• Циклоконвертер с электродвигателем переменного тока
• Позиционирующие приводы ( сервоприводы и шаговые двигатели)

Что такое частотно-регулируемый привод (VFD)?

Частотно-регулируемый привод или просто ЧРП — один из широко используемых методов управления скоростью электродвигателя.В этом методе силовые электронные устройства используются для изменения частоты входной мощности электродвигателя с помощью метода, называемого широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), и, таким образом, управления скоростью двигателя.

Система VFD, использующая ШИМ, способна регулировать как скорость, так и крутящий момент электродвигателя и, следовательно, обеспечивает непрерывный диапазон управления скоростью процесса.

Система частотно-регулируемого привода также известна как частотно-регулируемый привод (AFD), или частотно-регулируемый привод (VSD), или частотно-регулируемый привод (VVVF).Это простое устройство, которое контролирует напряжение и частоту входной мощности двигателя и, следовательно, контролирует скорость двигателя, а также систему, приводимую в движение двигателем.

Основные компоненты VFD

На следующем изображении показан простой обзор системы VFD. Он состоит из трех основных компонентов:

• Схема выпрямителя
• Блок схемы постоянного тока
• Схема инвертора ШИМ

Мы увидим больше об этих компонентах в работе, но я дам краткое примечание по каждому.

Схема выпрямителя

Используется для преобразования входной мощности переменного тока в промежуточную мощность постоянного тока.

Блок цепи постоянного тока (шина постоянного тока)

Промежуточная мощность постоянного тока фильтруется и сохраняется в конденсаторах большой мощности.

Схема инвертора PWM

Блок инвертора преобразует промежуточную мощность постоянного тока в синусоидальную трехфазную мощность переменного тока с использованием технологии PWM.

Работа системы частотно-регулируемого привода

Несмотря на то, что частотно-регулируемый метод изменения скорости двигателя переменного тока является хорошо известным методом, только недавно этот метод получил широкое распространение и популярность.

Несмотря на высокую стоимость, сложность и техническое обслуживание двигателей постоянного тока, они часто использовались почти во всех приводах с регулируемой скоростью. Но развитие полупроводников, особенно силовой электроники, и низкая стоимость асинхронных двигателей переменного тока с короткозамкнутым ротором (по сравнению с двигателями постоянного тока) привлекли приводы переменного тока.

Используя различные методы, такие как, например, частотно-регулируемый привод, вы можете управлять не только скоростью двигателя переменного тока, но и его крутящим моментом. Фундаментальный принцип привода переменного тока с регулируемой скоростью очень прост, и мы можем понять его, начав с самого двигателя переменного тока.

В простом асинхронном двигателе переменного тока с короткозамкнутым ротором обмотки ротора пересекают вращающееся магнитное поле, создаваемое обмотками статора.

Синхронная скорость двигателя переменного тока, то есть скорость магнитного поля статора немного выше, чем у ротора при полной нагрузке. Это важно для вращения ротора. Задержка между скоростью ротора и скоростью магнитного поля известна как «проскальзывание» двигателя, а крутящий момент двигателя прямо пропорционален скольжению.

Переход к синхронной скорости двигателя, т.е. скорость вращения магнитного поля статора зависит от количества полюсов в статоре, а также от частоты тока питания.

Синхронная скорость = (120 x частота) / (количество полюсов)

Привод с регулируемой частотой ШИМ

Когда асинхронный двигатель переменного тока работает от источника питания постоянной частоты, обычно 50 или 60 Гц, скорость двигателя равна исправлено. Система частотно-регулируемого привода, как следует из названия, управляет скоростью асинхронного двигателя переменного тока, изменяя частоту источника питания.

Частотный преобразователь частоты также должен регулировать выходное напряжение в соответствии с частотой, чтобы соотношение выходного напряжения к частоте (В / Гц) было более или менее постоянным, что является основной характеристикой двигателя переменного тока для создания постоянного крутящего момента.

Итак, первым шагом VFD является преобразование трехфазной мощности переменного тока в мощность постоянного тока с использованием (постоянного напряжения и тока) с использованием простой схемы диодного выпрямителя. Выпрямленная мощность постоянного тока содержит пульсации напряжения, которые сглаживаются конденсаторами фильтра перед подачей на инвертор.Эта часть частотно-регулируемого привода известна как цепь постоянного тока.

Затем постоянное напряжение должно быть преобразовано обратно в переменное с переменным напряжением и частотой. Для этого используются силовые электронные устройства, такие как биполярные транзисторы со встроенным затвором или просто силовые транзисторы IGBT, использующие широтно-импульсную модуляцию (ШИМ).

Выходное напряжение включается и выключается с высокой частотой и длительностью времени включения-выключения, то есть шириной импульса регулируется с помощью блока управления (обычно микроконтроллера) для аппроксимации синусоидальной волны (известной как квазисинусоидальная волна).

Весь процесс обычно контролируется блоком управления, состоящим из микроконтроллера или микропроцессора. Задача микроконтроллера:

• Контролировать входящее напряжение питания.
• Установить скорость двигателя.
• Контроль напряжения промежуточного контура.
• Убедитесь, что выходной ток и напряжение находятся в разумных пределах.

Преимущества VFD

Ниже приведены преимущества использования VFD в системах HVAC.Другие приложения также будут иметь аналогичный набор преимуществ.

Типичная система HVAC состоит из вентиляторов, насосов, компрессоров, кондиционеров и чиллеров. Все связанные с двигателем устройства могут иметь следующие преимущества при использовании с системой привода с регулируемой скоростью.

• Простая установка и обслуживание.
• Низкий пусковой ток двигателя.
• Экономия энергии.
• Пониженная механическая и термическая нагрузка на двигатели и ремни при запуске.
• Высокий коэффициент мощности и низкая кВА.

Трехфазный асинхронный двигатель с частотно-регулируемым приводом с использованием микроконтроллера Pic

Этот проект посвящен частотно-регулируемому приводу для трехфазного асинхронного двигателя с использованием микроконтроллера pic. В этом проекте используется метод контроля частоты напряжения (V / F) для управления скоростью трехфазного асинхронного двигателя. Асинхронные двигатели находят множество промышленных и бытовых применений.

Введение в ЧРП

Асинхронные двигатели широко используются в компрессорах, стиральных машинах.Все асинхронные двигатели, которые вы покупаете на рынке, имеют номинальную мощность и номинальную скорость. Когда вы запустите асинхронный двигатель, он начнет работать с номинальной скоростью. Но есть много приложений, где нам нужны асинхронные двигатели с регулируемой скоростью. Итак, нам нужен контроллер, который может управлять скоростью асинхронного двигателя.

Существует множество методов проектирования частотно-регулируемого привода для асинхронного двигателя, как однофазного, так и трехфазного. Но в этом проекте мы разработали частотно-регулируемый привод с контролем частоты напряжения или методом U / F.Итак, давайте начнем с введения метода управления U / F для частотно-регулируемого привода.

Что такое метод контроля частоты напряжения (V / F)

Метод

V / F также известен как переменное напряжение и переменная частота. Это самый популярный метод управления скоростью трехфазного асинхронного двигателя. Он используется во многих приложениях с частотно-регулируемым приводом. Мы можем контролировать скорость асинхронного двигателя, подавая на асинхронный двигатель источник переменного тока.

Но если мы изменим только частоту, это также изменит поток двигателя.Поток двигателя прямо пропорционален крутящему моменту двигателя. Таким образом, только изменение частоты влияет и на крутящий момент двигателя. Поэтому нам нужно поддерживать постоянный поток. Чтобы сохранить постоянный магнитный поток, нам нужно также изменить напряжение, подаваемое на двигатель. Поскольку напряжение, подаваемое на асинхронный двигатель, прямо пропорционально магнитному потоку и угловой скорости двигателя.

Таким образом, нам нужно поддерживать постоянное отношение V / F для поддержания магнитного потока двигателя. Только изменение напряжения или тока может привести к насыщению сердечника асинхронного двигателя.Таким образом, отношение V / F должно быть постоянным в рабочем диапазоне асинхронного двигателя. В этом проекте частотно-регулируемого привода мы использовали метод V / F для управления скоростью асинхронного двигателя.

Реализация частотно-регулируемого привода с использованием микроконтроллера Pic

Чтобы реализовать частотно-регулируемый привод для трехфазного асинхронного двигателя, мы сначала преобразовали однофазное питание в постоянное напряжение с помощью схемы выпрямителя. Это постоянное напряжение используется для генерации переменного напряжения и частоты с помощью микроконтроллера pic.Это постоянное напряжение подается на вход трехфазного Н-моста. Программное обеспечение для этого проекта реализовано с использованием микроконтроллера pic18f452, а сигналы spwm подаются на трехфазный H-мост. Асинхронный двигатель подключен на выходе трехфазного Н-моста.

Вы также можете проверить мои другие проекты, связанные с асинхронными двигателями:

4 способа интеграции частотно-регулируемых приводов могут принести пользу вашему предприятию

Частотно-регулируемые приводы (ЧРП) чаще всего используются на водоочистных станциях, где они используются для регулирования потока воды.Но в последние годы их популярность выросла во многих сферах индустрии. Но если вы прочитали эту статью, вы, вероятно, хотя бы немного знакомы с VFD, так что давайте сразу перейдем к их преимуществам.

Преимущества частотно-регулируемых приводов

Действительно, любое предприятие, которое использует двигатель переменного тока как часть своего технологического процесса, выиграет от интеграции частотно-регулируемых приводов. Они позволяют двигателям переменного тока работать с переменной скоростью, и они делают это, регулируя частоту, подаваемую на двигатель, с помощью двойного преобразования напряжения.

Интеграция частотно-регулируемого привода в вашу систему автоматизации может дать множество преимуществ. К ним относятся оптимизация процесса, увеличение срока службы двигателя, экономия энергии и экономия времени.

1. Оптимизация процесса

ЧРП

упрощают автоматизацию или производственные процессы. Благодаря регулированию скорости на основе расхода электродвигатели переменного тока работают более эффективно и результативно. Благодаря включению программирования ПЛК, частотно-регулируемые приводы могут также работать через автоматизацию, устраняя необходимость в ручном управлении.

Благодаря использованию основных протоколов связи, ПЛК контролируют и регулируют скорость двигателя с помощью частотно-регулируемого привода. Это приводит к более эффективному процессу. Кроме того, он эффективно предотвращает удары из-за потока в трубе.

В целом, частотно-регулируемые приводы могут сделать работу вашего предприятия более эффективной и сложной, предоставляя операторам лучший контроль над своим процессом.

2. Увеличенный срок службы двигателя

Как выяснилось, повышение эффективности систем на основе двигателей также может иметь большое значение для двигателя.Позволяя двигателю переменного тока работать со скоростью, соответствующей расходу, частотно-регулируемые приводы снижают деформацию и износ двигателя во время работы.

Частотно-регулируемые приводы

позволяют двигателям переменного тока легко запускаться, а не только переключаться между выключением и полной скоростью. При постепенном запуске двигатели испытывают меньшую нагрузку. Как постепенный запуск, так и возможность регулировки скорости в зависимости от скорости потока снижают нагрузку на двигатель.

3. Энергосбережение

Частотно-регулируемые приводы

регулируются таким образом, чтобы при необходимости двигатель мог работать на более низких скоростях, что снижает общее потребление энергии.Только с этим VFD окупается менее чем за два года. Энергетические компании осведомлены об экономии энергии, которую обеспечивают частотно-регулируемые приводы на объектах, и начали предлагать свои собственные стимулы. Например, вот предложение поощрительного предложения VFD одной энергетической компании. Это показывает, как энергетическая промышленность поддерживает частотно-регулируемые приводы за их способность экономить энергию.

«Ваш бизнес может сэкономить электроэнергию, сократить расходы и улучшить свою прибыль, приняв меры по повышению эффективности систем с моторным приводом.Это может помочь вашему бизнесу получить годовую экономию энергии и затрат. Воспользуйтесь нашими скидками, чтобы снизить ваши затраты на улучшение энергосбережения, от добавления частотно-регулируемых приводов (ЧРП) до перехода на высокоэффективные асинхронные двигатели или двигатели с постоянными магнитами ».

—Xcel Energy

4. Экономия времени

Любая неэффективность процесса на производственном предприятии равносильна потере времени. А потраченное впустую время — это то же самое, что и доллары, оставшиеся на столе. Снижая износ двигателя, частотно-регулируемые приводы продлевают срок службы двигателя и снижают потребность в ремонте.А за счет автоматизации того, что в противном случае могло бы быть ручным компонентом процесса, частотно-регулируемые приводы также сокращают затраты на рабочую силу.

Кроме того, современные частотно-регулируемые приводы становятся умнее предыдущих систем. В зависимости от специфики вашего процесса, вероятно, есть дополнительные возможности для экономии времени.

Несколько слов об установке

За последние несколько лет они становятся все более популярными, особенно в конкурентных отраслях, стремящихся повысить общую эффективность, например, в пищевой промышленности.Хотя решение об интеграции частотно-регулируемых приводов может быть простым для предприятий, установка более сложна.

Чтобы воспользоваться преимуществами частотно-регулируемых приводов, важна их правильная установка. В Knobelsdorff Electric все наши электрики обучены и имеют опыт правильной установки частотно-регулируемых приводов. Они обеспечат надлежащую проводку линии и нагрузки, длину проводов двигателя и поток воздуха во время установки и запуска. Кроме того, мы можем создать индивидуальный ПЛК для автоматизации вашего процесса.

Если вы хотите добавить ЧРП к своему предприятию, начните с разговора с одним из наших экспертов по автоматизации.

Основы частотно-регулируемых приводов

Когда Тесла впервые представил трехфазный асинхронный двигатель переменного тока (AC) в 1888 году, он знал, что его изобретение было более эффективным и надежным, чем двигатель постоянного тока (DC) Эдисона. Однако для управления скоростью двигателя переменного тока требуется либо изменение магнитного потока, либо изменение числа полюсов двигателя. Даже спустя десятилетия после того, как асинхронный двигатель получил широкое распространение, изменение частоты для управления скоростью оставалось чрезвычайно сложной задачей, а физическая конструкция двигателя не позволяла производителям создавать двигатели с более чем двумя скоростями.

В результате двигатели постоянного тока были необходимы там, где требовались точный контроль скорости и значительная выходная мощность. В отличие от требований к управлению скоростью электродвигателя переменного тока, управление скоростью электродвигателя постоянного тока было достигнуто путем включения реостата в цепь возбуждения постоянного тока малой мощности, что было осуществимо с использованием имеющихся технологий. Эти простые средства управления двигателем меняли скорость и крутящий момент, и в течение ряда десятилетий были наиболее экономичным способом сделать это.

Рис. 1. Идеальная синусоида и форма сигнала ШИМ.

К 1980-м годам технология приводов двигателей переменного тока стала достаточно надежной и недорогой, чтобы конкурировать с традиционными системами управления двигателями постоянного тока. Эти частотно-регулируемые приводы (VFD) точно регулируют скорость стандартных асинхронных или синхронных двигателей переменного тока. При использовании частотно-регулируемых приводов управление скоростью с полным крутящим моментом достигается от 0 об / мин до максимальной номинальной скорости и, если требуется, выше номинальной скорости при пониженном крутящем моменте. ЧРП регулируют частоту своего выхода, преобразуя входящий переменный ток в постоянный, а затем используя широтно-импульсную модуляцию напряжения для воссоздания формы выходного переменного тока и напряжения.Однако этот процесс преобразования частоты приводит к потере от 2% до 3% тепла в частотно-регулируемом приводе — калорийной энергии, которая должна рассеиваться. Процесс также приводит к скачкам перенапряжения и гармоническим искажениям тока.

Частотно-регулируемые типы

Существует три распространенных типа частотно-регулируемых приводов. Инверсия источника тока (CSI) успешно используется в системах обработки сигналов и в промышленных энергетических приложениях. CSI VFD — единственный тип, который имеет возможность рекуперации энергии. Другими словами, они могут поглощать обратный поток мощности от двигателя к источнику питания.ЧРП CSI выдают очень чистую форму волны тока, но требуют больших и дорогих индукторов в своей конструкции и вызывают зубчатое движение (пульсирующее движение во время вращения) ниже 6 Гц.

Приводы

с инверсией источника напряжения (VSI) имеют низкий коэффициент мощности, могут вызывать зубцовый сдвиг двигателя ниже 6 Гц и не являются регенеративными. Следовательно, диски CSI и VSI не получили широкого распространения.

ЧРП

с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) чаще всего используются в промышленности из-за отличного входного коэффициента мощности за счет фиксированного напряжения на шине постоянного тока, отсутствия зубчатого зацепления двигателя, более высокого КПД и более низкой стоимости.ЧРП с ШИМ использует серию импульсов напряжения разной длины для имитации синусоидальной волны ( рис. 1, на стр. 8). В идеале импульсы синхронизируются так, чтобы средний интеграл привода по времени давал идеальную синусоиду. Текущий метод получения этой формы волны пропускает треугольную волну и синусоидальную волну через компаратор и выдает импульс напряжения всякий раз, когда значение синусоидальной волны больше, чем треугольная волна. В качестве электрического компонента тока для генерации импульса напряжения используется биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), хотя кремниевые выпрямители (SCR) также могут работать.В ближайшем будущем для выполнения этой задачи будут использоваться затворные транзисторы с усиленной инжекцией (IEGT). В более долгосрочной перспективе мемристоры, вероятно, станут предпочтительным компонентом для этой задачи.

Мемристоры — четвертый пассивный элемент схемы, связывающий электрический заряд и магнитный поток. Предполагается, что мемристоры существуют уже более 30 лет, но они были изготовлены Hewlett Packard Labs только в апреле 2008 года. Hewlett Packard надеется использовать эти устройства в качестве пассивных транзисторов, уменьшая их тепловыделение по сравнению с другими типами памяти.Независимо от компонента, используемого для формирования синусоидальной волны, переключение вызывает проблемы.

Тепло, потери мощности и гармоники

Первая проблема, которую необходимо решить производителю частотно-регулируемого привода, — это нагрев. Хотя частотно-регулируемые приводы являются высокоэффективными устройствами, производители не могут создать идеальный набор компонентов. Потери тепла в приводе регулируются следующим уравнением:

H _потери = P _t (1-η)

Где H _потери — это потеря мощности (Вт), P _t — мощность, проходящая через привод (Вт), а η — эффективность привода.Обычно ЧРП имеют рейтинг эффективности от 95% до 98%. Это означает, что количество воздуха, которое должно пройти через привод, определяется уравнением:

м = H _потери ÷ (C _p ΔT) = P _t (1-η) ÷ (C _p ΔT)

Где m — массовый расход (кг / с), C _p — удельная теплоемкость воздуха [кДж ÷ (кг × K)], а ΔT — разница температур между входящим и выходящим воздухом ( К). Это тепло может привести к значительным затратам на охлаждение, которые будут добавлены к конструкции, особенно если привод не может быть размещен в несекретном месте (в зоне, свободной от легковоспламеняющихся газов или частиц).Если привод должен быть размещен в засекреченном месте, то воздушный поток, идущий к приводу, необходимо будет продуть и создать давление.

Рис. 2. Реальная синусоида и форма сигнала ШИМ. Обратите внимание, как гармоники влияют на форму синусоиды.

Нагрев — только одна из проблем с частотно-регулируемыми приводами. Другая серьезная проблема связана с системными гармониками. Изображение ШИМ и вызываемых ими гармоник показано на рис. Рис. 2 . Неравномерности синусоидальной волны называются гармониками.В идеальном мире силовых цепей этих гармоник не должно быть. Они ничего не делают, но создают проблемы. К счастью, есть несколько способов уменьшить гармоники.

Один из простейших методов борьбы с гармониками — разместить синусоидальный фильтр по обе стороны от частотно-регулируемого привода. Со стороны линии они обычно называются линейными реакторами и имеют значения реактивного сопротивления от 1,5% до 5,0% импеданса. Более высокий импеданс не только задерживает больше гармоник, но также ограничивает мощность, поступающую на частотно-регулируемый привод.

Еще одна тактика, которую можно использовать на линейной стороне частотно-регулируемого привода, — это разместить конденсаторы на общей шине. Поскольку импеданс конденсатора обратно пропорционален частоте сигнала, гармоники видят короткое замыкание через конденсатор и проходят через конденсатор на землю, игнорируя другие нагрузки на шине. VFD могут также использовать активный интерфейс для ограничения гармоник, которые видит сторона линии. Активный входной каскад имеет еще один переключатель IGBT с обратным напряжением в качестве основного IGBT, но он проходит через фильтр верхних частот, так что основной сигнал мощности идет на землю.Сумма двух гармонических сигналов в идеале должна быть равна нулю. Если активный внешний привод по какой-либо причине не подходит, можно приобрести пассивный внешний VFD. Пассивные входные частотно-регулируемые приводы используют несколько фазосдвигающих трансформаторов и диодные мосты для подавления гармоник.

Чем больше импульсов у пассивного внешнего частотно-регулируемого привода, тем меньше проблем с гармониками. Компромисс заключается в том, что линейные напряжения должны быть хорошо сбалансированы, а каждый дополнительный фазосдвигающий трансформатор увеличивает стоимость и снижает эффективность.В крайних случаях можно приобрести изолирующий трансформатор. Хотя это один из самых эффективных способов предотвращения распространения гармоник, он также является одним из самых дорогостоящих.

Если гармоники недостаточно подавлены на линии VFD, могут возникнуть перекрестные помехи и перегрев. Перегрев может привести либо к уменьшению размеров шины, либо к увеличению затрат на охлаждение. Перекрестные помехи определяются как сигнал от одной цепи, создающей помехи другой цепи. Вообще говоря, это более серьезная проблема, чем перегрев.Примером может служить радиоприемник, который слегка расстроен. Несмотря на то, что через помехи можно слышать музыку, статические помехи раздражают. Перекрестные помехи — это неприятная вещь в телекоммуникационных цепях. В силовых цепях перекрестные помехи вызывают перегрев и срабатывание реле частоты.

Подобно тому, как гармоники, оставленные неотмеченными на стороне линии, могут вызывать проблемы, они могут создавать проблемы и на стороне нагрузки. Это из-за природы волн. Например, небольшое усилие, приложенное к Slinky с обоих концов, вызовет синусоидальную волну большой амплитуды.Электромагнитные волны действуют таким же образом, а это означает, что небольшое реактивное сопротивление может вызвать большие всплески напряжения. Поскольку это реактивное сопротивление является индуктивным по своей природе, большинство выходных фильтров представляют собой конденсаторы, подключенные по схеме треугольника. В идеале это должно привести к нулю реактивной части импеданса. Если полное сопротивление подобрано правильно, этого не произойдет.

Предупреждение: конденсаторы, подключенные на стороне нагрузки частотно-регулируемого привода, могут создать большое количество проблем, вплоть до выхода из строя привода.Поэтому перед установкой синусоидального фильтра на стороне нагрузки частотно-регулируемого привода рекомендуется проконсультироваться с производителем привода. В редких случаях может использоваться активный фильтр. Хотя они, как правило, работают хорошо, они довольно дороги и обычно должны разрабатываться индивидуально.

Преимущества ЧРП

Несмотря на то, что частотно-регулируемые приводы генерируют большое количество гармоник и тепла, они не получили бы такого широкого распространения и популярности, как сегодня, если бы не имели значительной экономической выгоды.

Электрически частотно-регулируемые приводы работают с высоким коэффициентом мощности. Асинхронные двигатели любого класса обычно имеют низкий коэффициент мощности при нагрузке на половину и три четверти (от 0,75 до 0,85). Это фактически сокращает срок службы двигателя, так как ненужное увеличение тока приводит к перегреву изоляции обмотки. VFD обходят эту проблему, управляя нагрузкой с частотой ниже основной.

Самая очевидная причина для приобретения частотно-регулируемого привода — это регулировка скорости. Обычно это делается для технологических, эксплуатационных и экономических выгод.Одно экономическое преимущество заключается в сокращении затрат на техническое обслуживание при использовании частотно-регулируемого привода, особенно при отсутствии необходимости иметь дело с угольными щетками двигателя постоянного тока или механическими коробками передач с регулировкой скорости (трансмиссиями). Наиболее очевидные экономические преимущества частотно-регулируемых приводов связаны с вентиляторами и насосами. Мощность, потребляемая насосом или вентилятором, прямо пропорциональна кубу скорости. Это означает, что если оператор может запустить вентилятор на 80% от полной скорости, он теоретически использует 51% от полной мощности нагрузки.

ЧРП

также оптимизируют пусковые характеристики двигателя.Частотно-регулируемые приводы быстро разгоняют двигатели до полной скорости, потребляя от 100% до 150% тока полной нагрузки (FLA). Эта возможность запуска с нормальным значением FLA очень важна, если источник питания не может выдержать обычно шестикратное значение FLA при пуске через линию или даже ток устройства плавного пуска в размере 350% FLA. ЧРП делают это, управляя магнитным потоком асинхронного двигателя. Магнитный поток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален частоте. При поддержании постоянного магнитного потока пусковой ток не превышает номинального значения FLA двигателя, и сохраняется полный крутящий момент.Это значительное улучшение по сравнению с плавным пуском, который имеет значительные проблемы с падением напряжения и не может запускаться при полной нагрузке.

Другой потенциально полезный аспект VFD продемонстрирован на Fig. 3 , (щелкните здесь, чтобы увидеть Fig. 3 ), который показывает выходной сигнал VFD с постоянным крутящим моментом. Обратите внимание на две области: постоянный крутящий момент и постоянную мощность. Область постоянного крутящего момента не требует пояснений; ЧРП регулирует поток так, чтобы ток был постоянным.Как только частотный преобразователь частоты превышает номинальную частоту системы, напряжение не может увеличиваться из-за физических ограничений системы. Поскольку напряжение статическое, а частота увеличивается, поток вынужден уменьшаться. Когда это происходит, ток и крутящий момент также уменьшаются. Это называется ослаблением поля. Хотя это не обязательно хорошо, это может быть полезно, если есть потребность в питании нагрузки с частичным крутящим моментом выше номинальной скорости. В дополнение к этой возможности, частотно-регулируемые приводы могут также принимать любую форму входного питания, будь то однофазный переменный ток, трехфазный переменный ток или постоянный ток.ЧРП, питаемые от источника постоянного тока, по-прежнему питают нагрузку переменного тока без внутреннего выпрямителя.

Частотные преобразователи

также могут применяться в электросетях. Одним из классических примеров этого является индукционный генератор с двойным питанием, в котором частотно-регулируемый привод может выдавать сигнал фиксированной частоты и напряжения на входе с регулируемой скоростью (частотой). Это обычно наблюдается в ветряных турбинах и других проектах малых гидроэлектростанций, которые будут подключены к электросети. Другие возобновляемые источники энергии, такие как фотоэлектрические элементы, могут использовать частотно-регулируемые приводы для работы в качестве инвертора перед подключением к электросети, хотя инверторы с понижающей-повышающей технологией более распространены.Хотя существует множество потенциальных применений частотно-регулируемых приводов в коммерческой электросети, они выходят за рамки данной статьи.

Таким образом, всякий раз, когда нагрузка имеет либо переменный крутящий момент, либо переменную скорость, следует рассмотреть возможность использования частотно-регулируемого привода. VFD можно рассмотреть, если у большого двигателя есть проблема с падением напряжения, крутящим моментом или пусковым током во время запуска. Несмотря на то, что частотно-регулируемые приводы, несомненно, решают изрядное количество проблем и обеспечивают значительную экономию энергии, выделяемое ими тепло необходимо рассеивать, а генерируемые ими гармоники необходимо ослаблять.

Новак — инженер-электрик в компании Fluor, Inc., Шугар Лэнд, Техас. С ним можно связаться по телефону [email protected].

Действительно ли частотно-регулируемые приводы улучшают коэффициент мощности двигателей переменного тока?

Коэффициент мощности по сути является мерой того, насколько эффективно часть оборудования (или все предприятие) использует электричество для выполнения полезной работы, такой как обогрев, освещение или движение. Электроэнергетические компании следят за коэффициентом мощности и часто взимают с клиентов штраф, если их коэффициент мощности падает ниже установленного порога — обычно 0.90 или выше.

---

К счастью, большинство электрических нагрузок в жилых зданиях являются резистивными (например, отопление и освещение) и имеют высокий коэффициент мощности, поэтому потребители обычно не подвергаются этой метрике. С другой стороны, промышленные предприятия обычно имеют высокие индуктивные нагрузки, которые значительно снижают их коэффициент мощности. Например, асинхронные двигатели переменного тока, которые используются для привода насосов, вентиляторов, компрессоров и конвейеров, имеют относительно низкие коэффициенты мощности, даже когда их мощность полностью используется.А когда эти двигатели слегка нагружены, их коэффициент мощности падает еще ниже, иногда приближаясь к нулю.

Когда асинхронный двигатель сильно нагружен (вверху), формы сигналов напряжения и тока почти синфазны (небольшое смещение), а коэффициент мощности высокий. Когда двигатель слегка нагружен (внизу), формы волны не совпадают по фазе (большое смещение) и коэффициент мощности низкий.
Изображение предоставлено: Yaskawa America

---

Существует несколько методов повышения коэффициента мощности на промышленном объекте, но когда главными виновниками являются асинхронные двигатели, особенно асинхронные двигатели, не работающие при полной нагрузке, применение частотно-регулируемых приводов (ЧРП) является часто лучшее решение.

---

Напомним, что в асинхронном двигателе переменного тока мощность подается непосредственно на статор, а магнитное поле индуцируется в роторе. Мощность, подаваемая на статор, называется «реальной» или «активной» мощностью, потому что она создает крутящий момент. Мощность, используемая для создания магнитного поля в роторе, называется «реактивной» мощностью, поскольку она не производит активной работы. Комбинация активной и реактивной мощности называется «полной» мощностью. Реальная, реактивная и полная мощность часто изображается на треугольнике мощности.

В идеальной системе коэффициент мощности (PF _D ) представляет собой косинус θ, который равен реальной мощности (P), деленной на полную мощность (S).

Обратите внимание на индекс D в обозначении коэффициента мощности. В треугольнике мощности θ представляет собой смещение на (разность фаз) между напряжением и током. Таким образом, это выражение коэффициента мощности часто называют коэффициентом мощности смещения , PF _D .

---

Для резистивных нагрузок вся (или почти вся) используемая мощность является реальной мощностью, которая производит полезную работу — например, тепло или свет. Следовательно, ток и напряжение остаются в фазе (θ = 0), а коэффициент мощности близок к единице (т. Е. 1). Но реактивная мощность, необходимая для индуктивных нагрузок — например, для создания магнитного поля в роторе — имеет тенденцию сдвигать ток по фазе с напряжением (следовательно, больший угол θ), вызывая более низкий коэффициент мощности.

Количество реальной мощности , требуемой асинхронному двигателю, зависит от нагрузки, но количество реактивной мощности (мощность, необходимая для создания магнитного поля ротора) остается постоянным независимо от нагрузки.Таким образом, когда асинхронный двигатель слегка нагружен, отношение реальной мощности к полной уменьшается, что приводит к более низкому коэффициенту мощности.

---

Использование частотно-регулируемых приводов для управления асинхронными двигателями может улучшить коэффициент мощности, но это не панацея, которую предлагают некоторые производители.

---

Преобразователи частоты обычно имеют очень высокие значения PF _D . Это связано с тем, что конденсаторы шины постоянного тока подают на двигатель необходимый реактивный ток для создания магнитного поля ротора, а линия питания переменного тока должна подавать только действительную мощность .Это означает, что напряжение и ток остаются почти идеально синхронизированными по фазе с очень небольшим смещением, а коэффициент мощности может быть равным или близким к единице.

Но частотно-регулируемые приводы также вносят гармонические искажения тока. А поскольку гармонические токи не производят полезной работы, они являются реактивными, что сводит на нет некоторые преимущества ЧРП по коэффициенту мощности.

Чтобы определить истинный коэффициент мощности PF _T , который учитывает влияние гармонических искажений, мы используем уравнение:

THD = полное гармоническое искажение тока

К счастью, есть способы уменьшить гармонические искажения, вызванные частотно-регулируемым приводом, и минимизировать их влияние на коэффициент мощности.Для частотно-регулируемых приводов, в которых используется стандартный диодный выпрямитель, добавление импеданса через сетевой дроссель или дроссель звена постоянного тока снизит THD.

Другой вариант — использовать активный внешний привод (AFE), который представляет собой частотно-регулируемый привод, использующий IGBT, а не диоды, для преобразования входящей мощности переменного тока в постоянный. Активные фронтальные приводы имеют значительно более низкий коэффициент нелинейных искажений, чем стандартные диодные выпрямители. Например, привод AFE обычно имеет THD около 5 процентов, тогда как стандартный VFD с диодным выпрямителем может иметь THD в диапазоне 45 процентов.

---

Q: Почему коммунальное предприятие заботится о том, насколько эффективно завод или оборудование использует поставляемую электроэнергию?

A: Поскольку низкий коэффициент мощности вызывает более высокие линейные токи, которые создают большую нагрузку (в основном в виде тепла) на кабели, трансформаторы и другое оборудование.