Описание
Преобразователь частоты - предназначен для регулировки скорости вращения вала асинхронного электродвигателя за счет создания на выходе преобразователя частоты электрического напряжения заданной частоты.
Отсюда и название данного устройства: частотный преобразователь / преобразователь частоты или "частотник".
Другими словами, можно сказать, что задача частотного преобразователя - это точная регулировка оборотов, позиционирование вала, регулировка момента и необходимая настройка скорости вращения вала двигателя за счет изменения напряжения питания и частоты.
Так же преобразователь частоты обеспечивает плавность пуска и остановки электрического двигателя
Устройство преобразователя частоты
В состав преобразователей частоты входят четыре основных элемента:
1. Выпрямитель Это первый модуль, по которому проходит ток. Он преобразует переменный ток в постоянный, благодаря полупроводниковым диодам. Особенностью частотника является возможность его питания от однофазной сети. Разница в конструкции состоит в разных типах выпрямителей.
Выпрямители бывают двух основных типов – управляемые и неуправляемые.
2. Промежуточная цепь Из выпрямителя выходит постоянное напряжение, которое имеет значительные пульсации, заимствованные от переменного тока. Для их сглаживания используют такие элементы, как электролитический конденсатор и катушку индуктивности.
Промежуточная цепь бывает одного из трех типов: a) преобразующая напряжение выпрямителя в постоянный ток. b) стабилизирующая или сглаживающая пульсирующее напряжение постоянного тока и подающая его на инвертор. c) преобразующая неизменное напряжение постоянного тока выпрямителя в изменяющееся напряжение переменного тока.
3. Инвертор, Это узел, имеющий наибольшую важность в преобразователе частоты. Он изменяет параметры тока и частоты выхода, состоит из шести транзисторов. Для каждой фазы подключены по два транзистора. В каскаде инвертора применяются современные транзисторы IGBT.
4. Электронная схема управления, которая посылает сигналы в выпрямитель, промежуточную цепь и инвертор и получает сигналы от данных элементов. Построение управляемых элементов зависит от конструкции конкретного преобразователя частоты.
Способы управления преобразователем частоты
Различают два базовых принципа управления частотными преобразователями. Основной принцип скалярного управления состоит в изменении частоты и амплитуды питающего напряжения
Этот принцип является наиболее простым и доступным способом реализации частотного управления. За счет доступной стоимости преобразователей со скалярным управлением, такие агрегаты широко используются для привода механизмов, диапазон регулирования частоты вращения двигателя которых составляет 1:40. Такое ограничение удовлетворяет требованиям по управлению насосами, компрессорами, вентиляторами. Весомым преимуществом скалярного метода выступает возможность одновременного управления группой электрических двигателей.
Второй тип систем управления представляет векторный принцип, обеспечивающий параметры асинхронного электропривода, максимально приближенные к характеристикам привода постоянного тока. Такие особенности системы реализуются посредством разделения каналов регулирования потокосцепления и скорости вращения двигателя. Преобразователи, работающие по векторному принципу, характеризуются относительно высокой стоимостью и используются в механизмах, предъявляющих повышенные требования к качеству регулирования скорости – станки, лифты, краны и т.п.
При векторном типе управления двигателя необходимо использовать информацию с датчика положения вала двигателя и в соответствии с ней менять амплитуду и частоту питающего напряжения двигателя. Этот тип управления характеризуется высокой точностью поддержания скорости и возможностью контроля величины момента в зависимости от нагрузки в допустимых для конкретного двигателя пределах.
Преимущества частотных преобразователей с векторным управлением (с обратной связью)
Векторный способ управления преобразователем частоты позволяет осуществлять гораздо более качественное управление электродвигателем, нежели скалярный, однако настройка векторного преобразователя частоты требует глубоких познаний в области устройства электропривода.
Векторное управление электродвигателем применяется в случаях, когда в процессе эксплуатации нагрузка может меняться на одной и той же частоте, то есть, когда нет четкой зависимости между моментом нагрузки и скоростью вращения, а также в случаях, когда необходимо получить расширенный диапазон регулировки частоты при номинальных моментах.
Например, когда требуется получить частоту в диапазоне 0…50 Гц для 100%го крутящего момента, или даже, кратковременно получить прирост в мощности 150-200% от номинального, векторный частотный преобразователь позволяет существенно увеличить диапазон управления, точность регулирования, повышает быстродействие электропривода.
Векторный метод позволяет минимизировать реактивный ток двигателя при уменьшении нагрузки путем адекватного снижения напряжения на двигателе. Если нагрузка на валу двигателя увеличивается, то преобразователь адекватно увеличивает напряжение на двигателе.
Кроме того, для непосредственного управления моментом при малых, близких к нулевым скоростям вращения работа частотно регулируемого электропривода без обратной связи по скорости невозможна. Векторное управление с датчиком обратной связи скорости обеспечивает диапазон регулирования до 1:1000 и выше, точность регулирования по скорости – сотые доли процента, точность по моменту – единицы процентов.
Так же стоит упомянуть бездатчиковое векторное управление, которое еще так же называют псевдовекторное управление.
Бездатчиковое векторное управление основывается на принципах классического векторного управления, но сигнал обратной связи датчика заменяется косвенно определенным значением, получаемым по математической модели управляемого двигателя, за данные действия отвечает специальный цифровой процессор.
Производительность современных процессоров в совокупности с программным обеспечением позволяют довольно точно управлять режимами работы электродвигателей, экономя средства на установку дополнительных датчиков/кабелей, позволяет пользоваться всеми преимуществами контроля работы электродвигателей преобразователей с векторным управлением, там где это невозможно, например: отсутствие места для установки датчиков (энкодеров), невозможность прокладки дополнительных кабелей и т. п.
Назначение преобразователя частоты
Частотный преобразователь - это устройство, используемое для того чтобы обеспечить непрерывное управление процессом. Обычно частотный преобразователь способен управлять скоростью и моментом электродвигателей.
Это нужно для решения стандартных проблем практически любого предприятия или организации: экономии энергоресурсов, увеличения сроков службы технологического оборудования, снижения затрат на планово-предупредительные и ремонтные работы, обеспечения оперативного управления и достоверного контроля за ходом технологических процессов.
Значительная экономия электроэнергии легко достигается при одном условии - приводной механизм должен что-либо регулировать (поддерживать какой - либо технологический параметр). Если это насос, то нужно регулировать расход воды, давление в сети или температуру чего-либо охлаждаемого или нагреваемого. Если это вентилятор или дымосос, то регулировать нужно температуру или давление воздуха, разрежение газов. Если это конвейер, то часто бывает нужно регулировать его производительность. Если это станок, то нужно регулировать скорости подачи или главного движения. Можно сразу выделить типовые механизмы, отличающиеся высокой эксплуатационной и экономической эффективностью при внедрении преобразователей частоты и систем автоматизации на их базе: НАСОСЫ, ВЕНТИЛЯТОРЫ, ДЫМОСОСЫ; КОНВЕЙЕРЫ, ТРАНСПОРТЕРЫ; ПОДЪЕМНИКИ, КРАНЫ, ЛИФТЫ И ДР. Особый экономический эффект от использования преобразователей частоты дает применение частотного регулирования на объектах, обеспечивающих транспортировку жидкостей.
Области применения
Насосы
Вентиляторы
Дымососы
Конвейеры
Транспортеров
Подъемники
Краны
Лифты
Компрессорные станции
Станки
Котельные
Дробилки, мельницы
Мешалки, центрифуги
Промышленные линии
Насосное применение преобразователей частоты
Мощность, потребляемая насосами, пропорциональна кубу скорости их вращения. С учетом этого, по сравнению с методом, когда для регулирования мощности на трубе используются заслонки, применение частотных преобразователей на насосах влечет за собой экономию по электроэнергии 30% и более. Такой показатель экономии позволяет окупить внедрение преобразователя частоты за период около года. Помимо этого параллельно решается и проблема гидравлических ударов: когда работает преобразователь частоты, то остановка и пуск насоса происходят очень плавно. Современные преобразователи, которые предлагают ведущие фирмы, имеют собственную систему управления, которая позволяет управлять целой группой насосов. Иными словами, практически возможно построить целую насосную станцию, при этом, не используя вспомогательного контроллера.
Вентиляторное применение преобразователей частоты
Все, что выше было рассмотрено для насосов, относится в полной мере и к вентиляторам. Как правило, экономия по электроэнергии в работе вентиляторов еще больше, потому что достаточно часто используются двигатели повышенной мощности для того, чтобы обеспечить прямой пуск тяжелых вентиляторов. Таким образом, при осуществлении проектирования новых установок с учетом использования частотных преобразователей можно использовать двигатели малой мощности, а при осуществлении модернизации уже используемых установок за счет уменьшения потерь холостого хода выходит дополнительная экономия.
Применение преобразователей частоты в транспортерах
На транспортерах благодаря регулированию становится возможной адаптация скорости перемещения к скорости технологического процесса в целом, даже не смотря на то, что в общем случае эта скорость не является постоянной. Ресурс механизмов значительно повышается благодаря плавному пуску. Причиной этого является то, что в момент пуска полностью отсутствуют ударные нагрузки в процессе выбора люфтов.
Положительный эффект от использования преобразователя частоты
Методология подбора преобразователя частоты
