Частотное регулирование асинхронного двигателя.

⁰

Режимы работы центробежных насосов энергетически наиболее эффективно регулировать путем изменения частоты вращения их рабочих колес. Частота вращения рабочих колес может быть изменена, если в качестве приводного двигателя используются регулируемый электропривод.
Устройство и характеристики газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания таковы, что они могут обеспечить изменение частоты вращения в необходимом диапазоне.

Процесс регулирования частоты вращения любого механизма удобно анализировать с помощью механических характеристик агрегата.

Рассмотрим механические характеристики насосного агрегата, состоящего из насоса и электродвигателя. На рис. 1 представлены механические характеристики центробежного насоса, оборудованного обратным затвором (кривая 1) и электродвигателя с короткозамкнутым ротором (кривая 2).

Рис. 1. Механические характеристики насосного агрегата

Разница значений вращающего момента электродвигателя и момента сопротивления насоса называется динамическим моментом. Если вращающий момент двигателя больше момента сопротивления насоса, динамический момент считается положительным, если меньше - отрицательным.

Под воздействием положительного динамического момента насосный агрегат начинает работать с ускорением, т.е. разгоняется. Если динамический момент отрицательный, насосный агрегат работает с замедлением, т.е. тормозится.

При равенстве этих моментов имеет место установившийся режим работы, т.е. насосный агрегат работает с постоянной частотой вращения. Эта частота вращения и соответствующий ей момент определяются пересечением механических характеристик электродвигателя и насоса (точка а на рис. 1).

Если в процессе регулирования тем или иным способом изменить механическую характеристику, например сделать ее более мягкой за счет введения дополнительного резистора в роторную цепь электродвигателя (кривая 3 на рис. 1), момент вращения электродвигателя станет меньше момента сопротивления.

Под воздействием отрицательного динамического момента насосный агрегат начинает работать с замедлением, т.е. тормозится до тех пор, пока вращающий момент и момент сопротивления опять не уравновесятся (точка б на рис. 1). Этой точке соответствует своя частота вращения и свое значение момента.

Таким образом, процесс регулирования частоты вращения насосного агрегата непрерывно сопровождается изменениями вращающего момента электродвигателя и момента сопротивления насоса.

Регулирование частоты вращения насоса может осуществляться или изменением частоты вращения электродвигателя, жестко соединенного с насосом, или изменением передаточного отношения трансмиссии, соединяющей насос с электродвигателем, который работает с постоянной скоростью.

Регулирование частоты вращения электродвигателей

В насосных установках используются преимущественно двигатели переменного тока. Частота вращения электродвигателя переменного тока зависит от частоты питающего тока f, числа пар полюсов р и скольжения s. Изменив один или несколько из этих параметров можно изменить частоту вращения электродвигателя и сочлененного с ним насоса.

Основным элементом частотного электропривода является . В преобразователе постоянная частота питающей сети f1 преобразуется в переменную f 2. Пропорционально частоте f 2 изменяется частота вращения электродвигателя, подключенного к выходу преобразователя.

С помощью частотного преобразователя практически неизменные сетевые параметры напряжение U1 и частота f1 преобразуются в изменяемые параметры U2 и f 2, требуемые для системы управления. Для обеспечения устойчивой работы электродвигателя, ограничения его перегрузки по току и магнитному потоку, поддержания высоких энергетических показателей в частотном преобразователе должно поддерживаться определенное соотношение между его входными и выходными параметрами, зависящее от вида механической характеристики насоса. Эти соотношения получаются из уравнения закона частотного регулирования.

Для насосов должно соблюдаться соотношение:

U1/f1 = U2/f2 = const

На рис. 2 представлены механические характеристики асинхронного электродвигателя при частотном регулировании. При уменьшении частоты f2 механическая характеристика не только меняет свое положение в координатах n - М, но несколько изменяет свою форму. В частности, снижается максимальный момент электродвигателя. Обусловлено это тем, что при соблюдении соотношения U1/f1 = U2/f2 = const и изменении частоты f1 не учитывается влияние активного сопротивления статора на величину вращающего момента двигателя.

Рис. 2. Механические характеристики частотного электропривода при максимальных (1) и пониженных (2) частотах

При частотном регулировании с учетом этого влияния максимальный момент остается неизменным, форма механической характеристики сохраняется, меняется только ее положение.

Частотные преобразователи с имеют высокие энергетические характеристики за счет того, что на выходе преобразователя обеспечивается форма кривых тока и напряжения, приближающаяся к синусоидальной. В последнее время наибольшее распространение получили частотные преобразователи на IGBT-модулях (биполярных транзисторах с изолированным затвором).

IGBT-модуль является высокоэффективным ключевым элементом. Он обладает малым падением напряжения, высокой скоростью и малой мощностью переключения. Преобразователь частоты на IGBT-модулях с ШИМ и векторным алгоритмом управления асинхронным электродвигателем имеет преимущества по сравнению с другими типами преобразователей. Он характеризуется высоким значением коэффициента мощности во всем диапазоне изменения выходной частоты.

Принципиальная схема преобразователя представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема частотного преобразователя на IGBT-модулях: 1 - блок вентиляторов; 2 - источник питания; 3 - выпрямитель неуправляемый; 4 - панель управления; 5 - плата пульта управления; 6 - ШИМ; 7 - блок преобразования напряжения; 8 - плата системы регулирования; 9 - драйверы; 10 - предохранители блока инвертора; 11 - датчики тока; 12 - асинхронный короткозамкнутый двигатель; Q1, Q2, Q3 - выключатели силовой цепи, цепи управления и блока вентиляторов; K1, К2 - контакторы заряда конденсаторов и силовой цепи; С - блок конденсаторов; Rl, R2, R3 - резисторы ограничения тока заряда конденсаторов, разряда конденсаторов и узла слива; VT - силовые ключи инвертора (IGBT-модули)

На выходе частотного преобразователя формируется кривая напряжения (тока), несколько отличающаяся от синусоиды, содержащая высшие гармонические составляющие. Их наличие влечет за собой увеличение потерь в электродвигателе. По этой причине при работе электропривода на частотах вращения, близких к номинальной, происходит перегрузка электродвигателя.

При работе на пониженных частотах вращения ухудшаются условия охлаждения самовентилируемых электродвигателей, применяемых в приводе насосов. В обычном диапазоне регулирования насосных агрегатов (1:2 или 1:3) это ухудшение условий вентиляции компенсируется существенным снижением нагрузки за счет уменьшения подачи и напора насоса.

При работе на частотах, близких к номинальному значению (50 Гц), ухудшение условий охлаждения в сочетании с появлением гармоник высших порядков требует снижения допустимой механической мощности на 8 - 15%. Из-за этого максимальный момент электродвигателя снижается на 1 - 2%, его КПД - на 1 - 4%, cosφ - на 5 - 7%.

Во избежание перегрузки электродвигателя необходимо или ограничить верхнее значение его частоты вращения, или оснастить привод более мощным электродвигателем. Последняя мера обязательна тогда, когда предусматривается работа насосного агрегата с частотой f 2 > 50 Гц. Ограничение верхнего значения частоты вращения двигателя осуществляется ограничением частоты f 2 до 48 Гц. Увеличение номинальной мощности приводного электродвигателя осуществляется с округлением до ближайшего стандартного значения.

Групповое управление регулируемыми электроприводами агрегатов

Многие насосные установки состоят из нескольких агрегатов. Как правило, регулируемым электроприводом оборудуются не все агрегаты. Из двух-трех установленных агрегатов регулируемым электроприводом достаточно оснастить один. Если один преобразователь постоянно подключен к одному из агрегатов, имеет место неравномерное расходование их моторесурса, поскольку агрегат, оснащенный регулируемым приводом, используется в работе значительно большее время.

Для равномерного распределения нагрузки между всеми агрегатами, установленными на станции, разработаны станции группового управления, с помощью которых агрегаты могут поочередно подключаться к преобразователю. Станции управления изготавливаются обычно для низковольтных (380 В) агрегатов.

Обычно низковольтные станции управления предназначены для управления двумя-тремя агрегатами. В состав низковольтных станций управления входят автоматические выключатели, обеспечивающие защиту от межфазных коротких замыканий и замыканий на землю, тепловые реле для защиты агрегатов от перегрузки, а также аппаратура управления (ключи, и пр.).

Схема коммутации станции управления содержит в своем составе необходимые блокировки, позволяющие произвести подключение преобразователя частоты к любому выбранному агрегату и осуществить замену работающих агрегатов без нарушения технологического режима работы насосной или воздуходувной установки.

Станции управления, как правило, наряду с силовыми элементами (автоматическими выключателями, контакторами и т.п.) содержат в своем составе управляющие и регулирующие устройства (микропроцессорные контроллеры и пр.).

По требованию заказчика станции комплектуются устройствами автоматического включения резервного питания (АВР), коммерческого учета потребляемой электроэнергии, управления запорной аппаратурой.

При необходимости в состав станции управления вводятся дополнительные аппараты, обеспечивающие использование наряду с частотным преобразователем устройства плавного пуска агрегатов.

Автоматизированные станции управления обеспечивают:

поддержание заданного значения технологического параметра (давления, уровня, температуры и др.);

контроль режимов работы электродвигателей регулируемых и нерегулируемых агрегатов (контроль потребляемого тока, мощности) и их защиту;

автоматическое включение в работу резервного агрегата при аварии основного;

переключение агрегатов непосредственно на сеть при выходе из строя частотного преобразователя;

автоматическое включение резервного (АВР) электрического ввода;

автоматическое повторное включение (АПВ) станции после пропажи и глубоких посадок напряжения в питающей электрической сети;

автоматическое изменение режима работы станции с остановкой и запуском агрегатов в работу в заданное время;

автоматическое включение в работу дополнительно нерегулируемого агрегата, если регулируемый агрегат, выйдя на номинальную частоту вращения, не обеспечивал требуемой подачи воды;

автоматическое чередование работающих агрегатов через заданные промежутки времени для обеспечения равномерного расходования моторесурса;

оперативное управление режимом работы насосной (воздуходувной) установки с панели управления или с диспетчерского пульта.

Рис. 4. Станция группового управления частотно-регулируемыми электроприводами насосов

Эффективность применения частотно-регулируемого электропривода в насосных установках

Применение частотно-регулиремого привода позволяет существенно экономить электроэнергию, т. к. дает возможность использовать крупные насосные агрегаты в режиме малых подач. Благодаря этому можно, увеличив единичную мощность агрегатов, уменьшить их общее число, и следовательно, уменьшить габаритные размеры зданий, упростить гидравлическую схему станции, уменьшить число трубопроводной арматуры.

Таким образом, применение регулируемого электропривода в насосных установках позволяет наряду с экономией электроэнергии и воды уменьшить число насосных агрегатов, упростить гидравлическую схему станции, уменьшить строительные объемы здания насосной станции. В связи с этим возникают вторичные экономические эффекты: уменьшаются расходы на отопление, освещение и ремонт здания, приведенные затраты в зависимости от назначения станций и других конкретных условий могут быть сокращены на 20 - 50%.

В технической документации на преобразователи частоты указывается, что применение регулируемого электропривода в насосных установках позволяет экономить до 50% энергии, расходуемой на перекачку чистых и сточных вод, а сроки окупаемости составляют три - девять месяцев.

Вместе с тем расчеты и анализ эффективности регулируемого электропривода в действующих насосных установках показывает, что в небольших насосных установках с агрегатами мощностью до 75 кВт, особенно тогда, когда они работают с большой статической составляющей напора, оказывается нецелесообразным применение регулируемых электроприводов. В этих случаях можно использовать более простые системы регулирования с применением дросселирования, изменения числа работающих насосных агрегатов.

Применение регулируемого электропривода в системах автоматизации насосных установок, с одной стороны, уменьшает потребление энергии, с другой - требует дополнительных капитальных затрат, поэтому целесообразность применения регулируемого электропривода в насосных установок определяется сравнением приведенных затрат двух вариантов: базового и нового. За новый вариант принимается насосная установка, оснащенная регулируемым электроприводом, а за базовый - установка, агрегаты которой работают с постоянной частотой вращения.

Частотно-регулируемый привод (частотно-управляемый привод, ЧУП, Variable requency Drive, VFD) - система управления частотой вращения ротора асинхронного (синхронного) электродвигателя. Состоит из собственно электродвигателя и частотного преобразователя.

Преобразователь частоты (частотный преобразователь) - это устройство состоящее из выпрямителя (моста постоянного тока), преобразующего переменный ток промышленной частоты в постоянный и инвертора (преобразователя) (иногда с ШИМ), преобразующего постоянный ток в переменный требуемых частоты и амплитуды. Выходные тиристоры (GTO) или IGBT обеспечивают необходимый ток для питания электродвигателя. Для исключения перегрузки преобразователя при большой длине фидера между преобразователем и фидером ставят дроссели, а для уменьшения электромагнитных помех - EMC-фильтр. При скалярном управлении формируются гармонические токи фаз двигателя. Векторное управление - метод управления синхронными и асинхронными двигателями, не только формирующим гармонические токи (напряжения) фаз, но и обеспечивающим управление магнитным потоком ротора (моментом на валу двигателя).

Применение частотного привода

Преобразователи частоты применяются в:

судовом электроприводе большой мощности
прокатных станах (синхронная работа клетей)
высокооборотном приводе вакуумных турбомолекулярных насосов (до 100.000 об/мин.)
конвейерных системах
резательных автоматах
станках с ЧПУ - синхронизация движения сразу нескольких осей (до 32 - например в полиграфическом или упаковывающем оборудовании) (сервоприводы)
автоматически открывающихся дверях
мешалках, насосах, вентиляторах, компрессорах
бытовых кондиционерах
стиральных машинах
городском электротранспорте, особенно в троллейбусах.

Наибольший экономический эффект даёт применение ЧРП в системах вентиляции, кондиционирования и водоснабжения, где применение ЧРП стало фактически стандартом.

Преимущества применения ЧРП

Высокая точность регулирования
Экономия электроэнергии в случае переменной нагрузки (то есть работы эл. двигателя с неполной нагрузкой).
Равный максимальному пусковой момент.
Возможность удалённой диагностики привода по промышленной сети
- распознавание выпадения фазы для входной и выходной цепей
- учёт моточасов
- старение конденсаторов главной цепи
- неисправность вентилятора
Повышенный ресурс оборудования
Уменьшение гидравлического сопротивления трубопровода из-за отсутствия регулирующего клапана
Плавный пуск двигателя, что значительно уменьшает его износ
ЧРП как правило содержит в себе ПИД-регулятор и может подключатся напрямую к датчику регулируемой величины (например, давления).
Управляемое торможение и автоматический перезапуск при пропадании сетевого напряжения
Подхват вращающегося электродвигателя
Стабилизация скорости вращения при изменении нагрузки
Значительное снижение акустического шума электродвигателя, (при использовании функции «Мягкая ШИМ»)
Дополнительная экономия электроэнергии от оптимизации возбуждения эл. двигателя
Позволяют заменить собой автоматический выключатель

Недостатки применения частотного привода

Большинство моделей ЧРП являются источником помех (требуется установка Фильтров высокочастотных помех)
Сравнительно высокая стоимость для ЧРП большой мощности (окупаемость минимум 1-2 года)

Применение частотных преобразователей на насосных станциях

Классический метод управления подачей насосных установок предполагает дросселирование напорных линий и регулирование количества работающих агрегатов по какому-либо техническому параметру (например, давлению в трубопроводе). Насосные агрегаты в этом случае выбираются исходя из неких расчётных характеристик (как правило, с запасом по производительности) и постоянно функционируют с постоянной частотой вращения, без учета изменяющихся расходов, вызванных переменным водопотреблением. При минимальном расходе насосы продолжают работу с постоянной частотой вращения, создавая избыточное давление в сети (причина аварий), при этом бесполезно расходуется значительное количество электроэнергии. Так, к примеру, происходит в ночное время суток, когда потребление воды резко падает. Основной эффект достигается не за счет экономии электроэнергии, а благодаря существенному уменьшению расходов на ремонт водопроводных сетей.

Появление регулируемого электропривода позволило поддерживать постоянное давление непосредственно у потребителя. Широкое применение в мировой практике получил частотно регулируемый электропривод с асинхронным электродвигателем общепромышленного назначения. В результате адаптации общепромышленных асинхронных двигателей к их условиям эксплуатации в управляемых электроприводах создаются специальные регулируемые асинхронные двигатели с более высокими энергетическими и массогабаритностоимостными показателями по сравнению с неадаптированными. Частотное регулирование скорости вращения вала асинхронного двигателя осуществляется с помощью электронного устройства, которое принято называть частотным преобразователем. Вышеуказанный эффект достигается путём изменения частоты и амплитуды трёхфазного напряжения, поступающего на электродвигатель. Таким образом, меняя параметры питающего напряжения (частотное управление), можно делать скорость вращения двигателя как ниже, так и выше номинальной. Во второй зоне (частота выше номинальной) максимальный момент на валу обратно пропорционален скорости вращения.

Метод преобразования частоты основывается на следующем принципе. Как правило, частота промышленной сети составляет 50 Гц. Для примера возьмём насос с двухполюсным электродвигателем. С учетом скольжения скорость вращения двигателя составляет около 2800 (зависит от мощности) оборотов в минуту и даёт на выходе насосного агрегата номинальный напор и производительность (так как это его номинальные параметры, согласно паспорту). Если с помощью частотного преобразователя понизить частоту и амплитуду подаваемого на него переменного напряжения, то соответственно понизятся скорость вращения двигателя, и, следовательно, изменится производительность насосного агрегата. Информация о давлении в сети поступает в блок частотного преобразователя от специального датчика давления, установленного у потребителя, на основании этих данных преобразователь соответствующим образом меняет частоту, подаваемую на двигатель.

Современный преобразователь частоты имеет компактное исполнение, пыле и влагозащищённый корпус, удобный интерфейс, что позволяет применять его в самых сложных условиях и проблемных средах. Диапазон мощности весьма широк и составляет от 0,18 до 630 кВт и более при стандартном питании 220/380 В и 50-60 Гц. Практика показывает, что применение частотных преобразователей на насосных станциях позволяет:

экономить электроэнергию (при существенных изменениях расхода), регулируя мощность электропривода в зависимости от реального водопотребления (эффект экономии 20-50 %);
снизить расход воды, за счёт сокращения утечек при превышении давления в магистрали, когда расход водопотребления в действительности мал (в среднем на 5 %);
уменьшить расходы (основной экономический эффект) на аварийные ремонты оборудования (всей инфраструктуры подачи воды за счет резкого уменьшения числа аварийных ситуаций, вызванных в частности гидравлическим ударом, который нередко случается в случае использования нерегулируемого электропривода (доказано, что ресурс службы оборудования повышается минимум в 1,5 раза);
достичь определённой экономии тепла в системах горячего водоснабжения за счёт снижения потерь воды, несущей тепло;
увеличить напор выше обычного в случае необходимости;
комплексно автоматизировать систему водоснабжения, тем самым снижая фонд заработной платы обслуживающего и дежурного персонала, и исключить влияние «человеческого фактора» на работу системы, что тоже немаловажно.

По имеющимся данным срок окупаемости проекта по внедрению преобразователей частоты составляет от 3 месяцев до 2 лет.

Потери мощности при торможении электродвигателя

Во многих установках на регулируемый электропривод возлагаются задачи не только плавного регулирования момента и скорости вращения электродвигателя, но и задачи замедления и торможения элементов установки. Классическим решением такой задачи является система привода с асинхронным двигателем с преобразователем частоты, оснащённым тормозным переключателем с тормозным резистором.

При этом в режиме замедления/торможения электродвигатель работает как генератор, преобразуя механическую энергию в электрическую, которая в итоге рассеивается на тормозном резисторе. Типичными установками, в которых циклы разгона чередуются с циклами замедления являются тяговый привод электротранспорта, подъёмники, лифты, центрифуги, намоточные машины и т. п. Функция электрического торможения вначале появилась на приводе постоянного тока (например, троллейбус). В конце ХХ века появились преобразователи частоты со встроенным рекуператором, которые позволяют возвращать энергию, полученную от двигателя, работающего в режиме торможения, обратно в сеть. В этом случае, установка начинает «приносить деньги» фактически сразу после ввода в эксплуатацию.

Принцип работы частотного преобразователя

Частотные преобразователи предназначены для плавного регулирования скорости асинхронного двигателя за счет создания на выходе преобразователя трехфазного напряжения переменной частоты. В простейших случаях регулирование частоты и напряжения происходит в соответствии с заданной характеристикой V/f , в наиболее совершенных преобразователях реализовано так называемое векторное управление .
Принцип работы частотного преобразователя или как его часто называют - инвертора: переменное напряжение промышленной сети выпрямляется блоком выпрямительных диодов и фильтруется батареей конденсаторов большой емкости для минимизации пульсаций полученного напряжения. Это напряжение подается на мостовую схему, включающую шесть управляемых IGBT или MOSFET транзисторов с диодами, включенными антипараллельно для защиты транзисторов от пробоя напряжением обратной полярности, возникающем при работе с обмотками двигателя. Кроме того, в схему иногда включают цепь "слива" энергии - транзистор с резистором большой мощности рассеивания. Эту схему используют в режиме торможения, чтобы гасить генерируемое напряжение двигателем и обезопасить конденсаторы от перезарядки и выхода из строя.
Блок-схема инвертора показана ниже.
Частотный преобразователь в комплекте с асинхронным электродвигателем позволяет заменить электропривод постоянного тока. Системы регулирования скорости двигателя постоянного тока достаточно просты, но слабым местом такого электропривода является электродвигатель. Он дорог и ненадежен. При работе происходит искрение щеток, под воздействием электроэрозии изнашивается коллектор. Такой электродвигатель не может использоваться в запыленной и взрывоопасной среде.
Асинхронные электродвигатели превосходят двигатели постоянного тока по многим параметрам: они просты по устройству и надежны, так как не имеют подвижных контактов. Они имеют меньшие по сравнению с двигателями постоянного тока размеры, массу и стоимость при той же мощности. Асинхронные двигатели просты в изготовлении и эксплуатации.
Основной недостаток асинхронных электродвигателей – сложность регулирования их скорости традиционными методами (изменением питающего напряжения, введением дополнительных сопротивлений в цепь обмоток).
Управление асинхронным электродвигателем в частотном режиме до недавнего времени было большой проблемой, хотя теория частотного регулирования была разработана еще в тридцатых годах. Развитие частотно-регулируемого электропривода сдерживалось высокой стоимостью преобразователей частоты. Появление силовых схем с IGBT-транзисторами, разработка высокопроизводительных микропроцессорных систем управления позволило различным фирмам Европы, США и Японии создать современные преобразователи частоты доступной стоимости.
Регулирование частоты вращения исполнительных механизмов можно осуществлять при помощи различных устройств: механических вариаторов, гидравлических муфт, дополнительно вводимыми в статор или ротор резисторами, электромеханическими преобразователями частоты, статическими преобразователями частоты.
Применение первых четырех устройств не обеспечивает высокого качества регулирования скорости, неэкономично, требует больших затрат при монтаже и эксплуатации. Статические преобразователи частоты являются наиболее совершенными устройствами управления асинхронным приводом в настоящее время.
Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту f1 питающего напряжения, можно в соответствии с выражением

неизменном числе пар полюсов p изменять угловую скорость магнитного поля статора.
Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью.
Регулирование скорости при этом не сопровождается увеличением скольжения асинхронного двигателя, поэтому потери мощности при регулировании невелики.
Для получения высоких энергетических показателей асинхронного двигателя – коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности – необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение.
Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки Mс. При постоянном моменте нагрузки Mс=const напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте:

Для вентиляторного характера момента нагрузки это состояние имеет вид:

При моменте нагрузки, обратно пропорциональном скорости:

Таким образом, для плавного бесступенчатого регулирования частоты вращения вала асинхронного электродвигателя, преобразователь частоты должен обеспечивать одновременное регулирование частоты и напряжения на статорной обмотке асинхронного двигателя.
Преимущества использования регулируемого электропривода в технологических процессах
Применение регулируемого электропривода обеспечивает энергосбережение и позволяет получать новые качества систем и объектов. Значительная экономия электроэнергии обеспечивается за счет регулирования какого-либо технологического параметра. Если это транспортер или конвейер, то можно регулировать скорость его движения. Если это насос или вентилятор – можно поддерживать давление или регулировать производительность. Если это станок, то можно плавно регулировать скорость подачи или главного движения.
Особый экономический эффект от использования преобразователей частоты дает применение частотного регулирования на объектах, обеспечивающих транспортировку жидкостей. До сих пор самым распространённым способом регулирования производительности таких объектов является использование задвижек или регулирующих клапанов, но сегодня доступным становится частотное регулирование асинхронного двигателя, приводящего в движение, например, рабочее колесо насосного агрегата или вентилятора. При использовании частотных регуляторов обеспечивается плавная регулировка скорости вращения позволяет в большинстве случаев отказаться от использования редукторов, вариаторов, дросселей и другой регулирующей аппаратуры.
При подключении через частотный преобразователь пуск двигателя происходит плавно, без пусковых токов и ударов, что снижает нагрузку на двигатель и механизмы, тем самым увеличивает срок их службы.
Перспективность частотного регулирования наглядно видна из рисунка

Таким образом, при дросселировании поток вещества, сдерживаемый задвижкой или клапаном, не совершает полезной работы. Применение регулируемого электропривода насоса или вентилятора позволяет задать необходимое давление или расход, что обеспечит не только экономию электроэнергии, но и снизит потери транспортируемого вещества.
Структура частотного преобразователя
Большинство современных преобразователей частоты построено по схеме двойного преобразования. Они состоят из следующих основных частей: звена постоянного тока (неуправляемого выпрямителя), силового импульсного инвертора и системы управления.
Звено постоянного тока состоит из неуправляемого выпрямителя и фильтра. Переменное напряжение питающей сети преобразуется в нем в напряжение постоянного тока.
Силовой трехфазный импульсный инвертор состоит из шести транзисторных ключей. Каждая обмотка электродвигателя подключается через соответствующий ключ к положительному и отрицательному выводам выпрямителя. Инвертор осуществляет преобразование выпрямленного напряжения в трехфазное переменное напряжение нужной частоты и амплитуды, которое прикладывается к обмоткам статора электродвигателя.
В выходных каскадах инвертора в качестве ключей используются силовые IGBT-транзисторы. По сравнению с тиристорами они имеют более высокую частоту переключения, что позволяет вырабатывать выходной сигнал синусоидальной формы с минимальными искажениями.
Принцип работы преобразователя частоты
Преобразователь частоты состоит из неуправляемого диодного силового выпрямителя В, автономного инвертора, системы управления ШИМ, системы автоматического регулирования, дросселя Lв и конденсатора фильтра Cв. Регулирование выходной частоты fвых. и напряжения Uвых осуществляется в инверторе за счет высокочастотного широтно-импульсного управления.
Широтно-импульсное управление характеризуется периодом модуляции, внутри которого обмотка статора электродвигателя подключается поочередно к положительному и отрицательному полюсам выпрямителя.
Длительность этих состояний внутри периода ШИМ модулируется по синусоидальному закону. При высоких (обычно 2…15 кГц) тактовых частотах ШИМ, в обмотках электродвигателя, вследствие их фильтрующих свойств, текут синусоидальные токи.

Таким образом, форма кривой выходного напряжения представляет собой высокочастотную двухполярную последовательность прямоугольных импульсов (рис. 3).
Частота импульсов определяется частотой ШИМ, длительность (ширина) импульсов в течение периода выходной частоты АИН промодулирована по синусоидальному закону. Форма кривой выходного тока (тока в обмотках асинхронного электродвигателя) практически синусоидальна.
Регулирование выходного напряжения инвертора можно осуществить двумя способами: амплитудным (АР) за счет изменения входного напряжения Uв и широтно-импульсным (ШИМ) за счет изменения программы переключения вентилей V1-V6 при Uв = const.
Второй способ получил распространение в современных преобразователях частоты благодаря развитию современной элементной базы (микропроцессоры, IBGT-транзисторы). При широтно-импульсной модуляции форма токов в обмотках статора асинхронного двигателя получается близкой к синусоидальной благодаря фильтрующим свойствам самих обмоток.

Такое управление позволяет получить высокий КПД преобразователя и эквивалентно аналоговому управлению с помощью частоты и амплитуды напряжения.
Современные инверторы выполняются на основе полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов – запираемых GTO – тиристоров, либо биполярных IGBT-транзисторов с изолированным затвором. На рис. 2.45 представлена 3-х фазная мостовая схема автономного инвертора на IGBT-транзисторах.
Она состоит из входного емкостного фильтра Cф и шести IGBT-транзисторов V1-V6 включенными встречно-параллельно диодами обратного тока D1-D6.
За счет поочередного переключения вентилей V1-V6 по алгоритму, заданному системой управления, постоянное входной напряжение Uв преобразуется в переменное прямоугольно-импульсное выходное напряжение. Через управляемые ключи V1-V6 протекает активная составляющая тока асинхронного электродвигателя, через диоды D1-D6 – реактивная составляющая тока.

И – трехфазный мостовой инвертор;
В – трехфазный мостовой выпрямитель;
Сф – конденсатор фильтра;

Вариант схемы подключения частотного преобразователя фирмы Omron.

Подключение частотных преобразователей с соблюдением требований ЭМС

Монтаж и подключение с соблюдением требований ЭМС подробно описаны в соответствующих руководствах на устройства.

Техническая информация преобразователи

Регулирование частотным приводом позволяет с помощью специального преобразователя гибко изменять режимы работы электродвигателя: производить его пуск, остановку, разгон, торможение, изменение скорости вращения.

Изменение частоты напряжения питания приводит к изменению угловой скорости магнитного поля статора. Когда частота уменьшается, двигателя снижается, а скольжение увеличивается.

Принцип действия частотного преобразователя привода

Главным недостатком асинхронных двигателей является сложность регулирования скорости традиционными способами: изменением напряжения питания и введением в цепь обмоток дополнительных сопротивлений. Более совершенным является частотный привод электродвигателя. До недавнего времени преобразователи стоили дорого, но появление IGBT-транзисторов и микропроцессорных управляющих систем позволило зарубежным производителям создать доступные по стоимости устройства. Наиболее совершенными сейчас являются статические

Угловая скорость магнитного поля статора ω 0 меняется пропорционально частоте ƒ 1 в соответствии с формулой:

ω 0 = 2π×ƒ 1 /p,

где p - число пар полюсов.

Способ обеспечивает плавное регулирование скорости. При этом скорость скольжения двигателя не возрастает.

Чтобы получить высокие энергетические показатели двигателя - КПД, коэффициент мощности и перегрузочную способность, вместе с частотой изменяют напряжение питания по определенным зависимостям:

постоянный момент нагрузки - U 1 / ƒ 1 = const;
вентиляторный характер момента нагрузки - U 1 / ƒ 1 2 = const;
момент нагрузки, обратно пропорциональный скорости - U 1 /√ ƒ 1 = const.

Эти функции реализуются с помощью преобразователя, одновременно изменяющего частоту и напряжение на статоре двигателя. Электроэнергия экономится за счет регулирования с помощью необходимого технологического параметра: давления насоса, производительности вентилятора, скорости подачи станка и др. При этом параметры меняются плавно.

Способы частотного управления асинхронными и синхронными электродвигателями

В частотно регулируемом приводе на базе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяются два способа управления - скалярное и векторное. В первом случае одновременно изменяются амплитуда и частота питающего напряжения.

Это необходимо для поддерживания рабочих характеристик двигателя, чаще всего - постоянное отношение его максимального момента к моменту сопротивления на валу. В результате остаются неизменными КПД и коэффициент мощности во всем диапазоне вращения.

Векторное регулирование заключается в одновременном изменении амплитуды и фазы тока на статоре.

Частотный привод типа работает только при небольших нагрузках, при росте которых выше допустимых значений синхронизм может нарушиться.

Достоинства частотного привода

Частотное регулирование обладает целым спектром преимуществ по сравнению с другими способами.

Автоматизация работы двигателя и производственных процессов.
Плавный пуск, устраняющий типичные ошибки, возникающие при разгоне двигателя. Повышение надежности привода частотного и оборудования за счет снижения перегрузок.
Повышение экономичности работы и производительности привода в целом.
Создание постоянной частоты вращения электродвигателя независимо от характера нагрузки, что важно при переходных процессах. Использование обратной связи дает возможность поддерживать постоянную скорость двигателя при различных возмущающих воздействиях, в частности при переменных нагрузках.
Преобразователи легко встраиваются в действующие технические системы без существенной переделки и остановки технологических процессов. Диапазон мощностей велик, но с их увеличением существенно возрастают цены.
Возможность отказаться от вариаторов, редукторов, дросселей и прочей регулирующей аппаратуры или расширить диапазон их применения. За счет этого обеспечивается значительная экономия электроэнергии.
Устранение вредного действия переходных процессов на технологическое оборудование, типа гидравлических ударов или повышенного давления жидкости в трубопроводах при снижении ее потребления в ночное время.

Недостатки

Как все инверторы, частотники являются источниками помех. В них необходимо устанавливать фильтры.

Стоимость брендов высока. Она значительно возрастает при увеличении мощности аппаратов.

Частотная регулировка при транспортировке жидкостей

На объектах, где производится перекачка воды и других жидкостей, регулировка расхода производится большей частью с помощью задвижек и клапанов. В настоящее время перспективным направлением является применение частотного привода насоса или вентилятора, приводящего в движение их лопасти.

Применение частотного преобразователя как альтернативы дроссельной заслонки дает энергосберегающий эффект до 75 %. Задвижка, сдерживая поток жидкости, не выполняет полезную работу. При этом возрастают потери энергии и вещества на его транспортировку.

Привод частотный дает возможность поддерживать у потребителя постоянное давление при изменении расхода жидкости. От датчика давления поступает сигнал на привод, который изменяет частоту вращения двигателя и тем самым регулирует его обороты, поддерживая заданный расход.

Управление насосными агрегатами производится путем изменения их производительности. Мощность потребления у насоса находится в кубической зависимости от производительности или скорости вращения колеса. Если обороты уменьшить в 2 раза, производительность насоса упадет в 8 раз. Наличие суточного графика потребления воды позволяет определить экономию электроэнергии за этот период, если производить управление частотным приводом. За счет него можно автоматизировать насосную станцию и оптимизировать тем самым давление воды в сетях.

Работа систем вентиляции и кондиционирования воздуха

Максимальный расход воздуха в вентиляционных системах не всегда нужен. Условия функционирования могут потребовать снижения производительности. Традиционно для этого применяется дросселирование, когда частота вращения колеса остается постоянной. Удобней менять расход воздуха за счет частотно регулируемого привода, когда изменяются сезонные и климатические условия, выделение тепла, влаги, паров и вредных газов.

Экономия электроэнергии в системах вентиляции и кондиционирования достигается не ниже, чем у насосных станций, поскольку потребляемая мощность вращения вала находится в кубической зависимости от оборотов.

Устройство частотного преобразователя

Современный частотный привод устроен по схеме двойного преобразователя. Он состоит из выпрямителя и импульсного инвертора с системой управления.

После выпрямления напряжения сети сигнал сглаживается фильтром и поступает на инвертор с шестью транзисторными ключами, где каждый из них подключен к обмоткам статора асинхронного электродвигателя. Блок преобразует выпрямленный сигнал в трехфазный нужной частоты и амплитуды. Силовые IGBT-транзисторы на выходных каскадах обладают высокой частотой переключения и обеспечивают четкий прямоугольный сигнал без искажений. За счет фильтрующих свойств обмоток двигателя форма кривой тока на их выходе остается синусоидальной.

Способы регулирования амплитуды сигнала

Величина выходного напряжения регулируется двумя методами:

Амплитудный - изменение величины напряжения.
Широтно-импульсная модуляция - способ преобразования импульсного сигнала, при котором изменяется его длительность, а частота остается неизменной. Здесь мощность зависит от ширины импульса.

Второй способ применяется чаще всего в связи с развитием техники микропроцессоров. Современные инверторы изготавливаются на основе запираемых GTO-тиристоров или IGBT-транзисторов.

Возможности и применение преобразователей

Частотный привод обладает многими возможностями.

Регулирование частоты трехфазного питающего напряжения от нуля до 400 Гц.
Разгон или торможение электродвигателя от 0,01 сек. до 50 мин. по заданному закону от времени (обычно - линейному). При разгоне возможно не только снижение, но и увеличение до 150 % динамических и пусковых моментов.
Реверс двигателя с заданными режимами торможения и разгона до нужной скорости в другом направлении.
В преобразователях применяется настраиваемая электронная защита от коротких замыканий, перегрузок, утечек на землю и обрывов линий питания двигателя.
На цифровых дисплеях преобразователей изображаются данные об их параметрах: частоте, напряжении питания, скорости, токе и др.
В преобразователях настраиваются вольт-частотные характеристики в зависимости от того, какие требуются нагрузки на двигатели. Функции систем управления на их основе обеспечиваются за счет встроенных контроллеров.
Для низких частот важно применять векторное управление, позволяющее работать с полным моментом двигателя, поддерживать постоянную скорость при изменении нагрузок, контролировать момент на валу. Частотно регулирующий привод хорошо работает при правильном введении паспортных данных двигателя и после успешного проведения его тестирования. Известны изделия компаний HYUNDAI, Sanyu и др.

Области применения преобразователей следующие:

насосы в системах горячего и холодного водо- и теплоснабжения;
шламовые, песковые и пульповые насосы обогатительных фабрик;
системы транспортирования: конвейеры, рольганги и др. средства;
мешалки, мельницы, дробилки, экструдеры, дозаторы, питатели;
центрифуги;
лифты;
металлургическое оборудование;
буровое оборудование;
электроприводы станков;
экскаваторное и крановое оборудование, механизмы манипуляторов.

Производители преобразователей частоты, отзывы

Отечественный производитель уже начал изготавливать изделия, подходящие для пользователей по качеству и цене. Преимуществом является возможность быстро получить нужный аппарат, а также подробную консультацию по настройке.

Компания "Эффективные системы" производит серийную продукцию и опытные партии оборудования. Изделия применяются для бытового использования, в малом бизнесе и в промышленности. Производитель "Веспер" выпускает семь серий преобразователей, среди которых есть многофункциональные, подходящие для большинства промышленных механизмов.

Лидером по производству частотников является датская компания Danfoss. Ее изделия используются в системах вентиляции, кондционирования, водоснабжения и отопления. Финская компания Vacon, входящая в состав датской, производит модульные конструкции, из которых можно скомпоновать необходимые устройства без лишних деталей, что позволяет сэкономить на компонентах. Известны также преобразователи международного концерна ABB, применяемые в промышленности и в быту.

Если судить по отзывам, для решения простых типовых задач можно применять дешевые отечественные преобразователи, а для сложных нужен бренд, где значительно больше настроек.

Заключение

Привод частотный управляет электродвигателем путем изменения частоты и амплитуды питающего напряжения, при этом защищая его от неисправностей: перегрузок, короткого замыкания, обрывов в питающей сети. Подобные выполняют три основные функции, связанные с разгоном, торможением и скоростью двигателей. Это позволяет повысить эффективность оборудования во многих областях техники.

Содержание:

В асинхронных электрических двигателях возникает необходимость регулировки частоты вращения ротора. С этой целью используется частотно-регулируемый привод, основным элементом которого является частотный преобразователь. В его конструкцию входит мост постоянного тока, он же - выпрямитель, преобразующий промышленный переменный ток в постоянный. Другая важная деталь - инвертор, выполняющий обратное преобразование постоянного тока в переменный с необходимой частотой и амплитудой.

Принцип работы частотно регулируемого привода

Асинхронные двигатели широко применяются в промышленности и на транспорте, являясь основной движущей силой узлов, машин и механизмов. Они отличаются высокой надежностью и сравнительно легко поддаются ремонту.

Однако данные устройства могут вращаться только на одной частоте, которую имеет питающая сеть переменного тока. Для работы в различных диапазонах используются специальные устройства - частотные преобразователи, выполняющие регулировку частот до требуемых параметров.

Работа преобразователей тесно связана с принципом действия асинхронного двигателя. Его статор состоит из трех обмоток к каждой из которых подведен электрический ток, создающий переменное магнитное поле. Под действием этого поля в роторе индуцируется ток, который также приводит к возникновению магнитного поля. В результате взаимодействия полей статора и ротора, начинается вращение ротора.

Когда асинхронный двигатель запускается, происходит значительное потребление тока от питающей сети. Из-за этого привод механизма испытывает значительную перегрузку. Наблюдается скачкообразное стремление двигателя достичь номинальных оборотов. В результате, снижается срок службы не только самого агрегата, но и тех устройств, которые он приводит в действие.

Данная проблема успешно решается путем использования частотно регулируемого привода, позволяющего изменять частоту напряжения, питающего двигатель. Применение современных электронных компонентов делает эти устройства малогабаритными и высокоэффективными.

Принцип работы частотного преобразователя достаточно простой. Вначале осуществляется подача сетевого напряжения к выпрямителю, где происходит его трансформация в постоянный ток. Затем он сглаживается конденсаторами и поступает на транзисторный преобразователь. Его транзисторы в открытом состоянии обладают крайне малым сопротивлением. Их открытие и закрытие происходит в определенное время при помощи электронного управления. Происходит формирование напряжения, аналогичного трехфазному, когда фазы смещаются относительно друг друга. Импульсы имеют прямоугольную форму, однако это совершенно не влияет на работу двигателя.

Частотные преобразователи имеют большое значение при работе . При такой схеме подключения необходимо использование фазосдвигающего конденсатора для создания вращающего момента. Эффективность агрегата заметно падает, однако частотный преобразователь увеличить его производительность.

Таким образом, применение частотно регулируемого электропривода делает управление трехфазными двигателями переменного тока более эффективным. В результате, улучшаются производственные технологические процессы, а энергоресурсы используются более рационально.

Преимущества и недостатки устройств регулировки частоты

Данные регулировочные устройства обладают несомненными достоинствами и дают высокий экономический эффект. Они отличаются высокой точностью регулировок, обеспечивают пусковой момент равный максимальному. При необходимости электродвигатель может работать с неполной нагрузкой, что позволяет существенно экономить электроэнергию. Регулировщики частоты заметно продлевают срок эксплуатации оборудования. При плавном пуске двигателя, его износ становится намного меньше.

Частотно регулируемый привод поддается удаленной диагностике по промышленной сети. Это позволяет вести учет отработанных моточасов, распознавать выпадающие фазы во входных и выходных цепях, а также выявлять другие дефекты и неисправности.

К регулировочному устройству могут подключаться различные датчики, которые дают возможность настройки каких-либо величин, например, давления. Если сетевое напряжение неожиданно пропало, включается система управляемого торможения и автоматического перезапуска. Скорость вращения стабилизируется при изменяющейся нагрузке. Частотно регулируемый привод становится альтернативной заменой автоматического выключателя.

В качестве основного недостатка следует отметить создание помех большинством моделей таких устройств. Для обеспечения нормальной работы необходимо устанавливать фильтры высокочастотных помех. Кроме того, повышенная мощность частотно регулируемых приводов значительно поднимает их стоимость, поэтому минимальный срок окупаемости составляет 1-2 года.

Применение регулировочных устройств

Частотно регулировочные устройства применяются во многих сферах - в промышленности и в быту. Ими оборудуются прокатные станы, конвейеры, резательные автоматы, вентиляторы, компрессоры, мешалки, бытовые стиральные машины и кондиционеры. Приводы хорошо зарекомендовали себя в городском троллейбусном транспорте. Использование частотно регулируемых приводов в станках с числовым программным управлением позволяет синхронизировать движения сразу в направлении многих осей.

Максимальный экономический эффект эти системы дают при их использовании в различном насосном оборудовании. Стандартное любых типов заключается в регулировке дросселей, устанавливаемых в напорных линиях и определении числа действующих агрегатов. За счет этого удается получить определенные технические параметры, такие как давление в трубопроводе и другие.

Насосы имеют постоянную частоту вращения и не учитывают изменяющийся расход в результате переменного водопотребления. Даже в случае минимального расхода насосы будут поддерживать постоянную частоту вращения, приводя к созданию избыточного давления в сети и вызывая аварийные ситуации. Все это сопровождается значительным бесполезным расходом электроэнергии. В основном это происходит в ночное время при резком падении водопотребления.

С появлением частотно регулируемого привода появилась возможность поддержки постоянного давления непосредственно у потребителей. Данные системы хорошо зарекомендовали себя в совокупности с асинхронными двигателями общего назначения. Регулировка частоты позволяет изменять скорость вращения вала, делая ее более высокой или низкой по сравнению с номинальной. Датчик давления, установленный у потребителя, передает информацию на частотно регулируемый привод, который, в свою очередь, изменяет частоту, поступающую к двигателю.

Современные регулирующие устройства отличаются компактными размерами. Они размещаются в корпусе, защищенном от пыли и влаги. Благодаря удобному интерфейсу, приборы могут эксплуатироваться даже в наиболее сложных условиях, при широком диапазоне мощности - от 0,18 до 630 киловатт и напряжении 220/380 вольт.