Преобразователи частоты - что выбрать? Характеристики, применение, принцип работы частотных преобразователей.

От правильного выбора преобразователя частоты (инвертора, частотного преобразователя будет зависеть эффективность и ресурс работы преобразователя частоты и всего электропривода в целом.

Экономический эффект от внедрения в производственный процесс преобразователей частоты электродвигателей достигается благодаря экономии электроэнергии в насосных, вентиляторных и компрессорных агрегатах до 50% — 60% за счет регулирования производительности путем перемены частоты вращения электродвигателя в отличие от регулирования методом включения/отключения.

В первую очередь при выборе модели частотного преобразователя следует исходить из конкретной задачи, которую должен решать электропривод, типа и мощности подключаемого электродвигателя, точности и диапазона регулирования скорости, точности поддержания момента вращения на валу двигателя, времени, отведенного для разгона и торможения, продолжительности включения и количества включений в час.




Мощность преобразователя частоты.

Одним из наиболее важных параметров электропривода является его мощность. По этой причине при выборе частотного преобразователя в первую очередь следует, определится с его нагрузочной способностью. В соответствии с имеющейся номинальной мощностью двигателя выбирается преобразователь частоты, рассчитанный на такую же мощность. И такой выбор будет являться правильным при условии, что нагрузка на валу не будет динамично изменяться, и ток значительно превышать номинальное установленное значение, как для данного двигателя, так и преобразователя. Поэтому более корректным было бы производить выбор по максимальному значению тока потребляемого двигателем от частотного преобразователя с учетом перегрузочной способности последнего. Обычно способность к перегрузкам указывается в процентах от номинального тока в течении промежутка времени. Таким образом, для правильного выбора нужно знать характер перегрузок именно вашего механизма, в частности: каков уровень перегрузок, какова их длительность и как часто они появляются.

Питающее напряжение.

Не менее важным является вопрос о питающем напряжении. Наиболее распространенный случай это питание от трехфазной промышленной сети 380В, но возможны варианты, когда привод рассчитан на работу от однофазной сети 220-240В. Как правило, последний ограничивается рядом мощностей до 3, 7кВт. Существуют варианты и высоковольтного привода, дающие возможность управлять более мощными двигателями, с мощностями измеряющимися уже в МВт, при относительно меньших значения тока. Каждый из вариантов применим для различного рода решений, и зависит как от возможностей электроснабжения, так и от ряда возможностей обусловленных применением соответствующего привода.

Диапазон регулирования.

Если скорость не будет падать ниже 10% от номинальной, то подойдет практически любой преобразователь, но если нужно снижать скорость и далее, обеспечивая при этом номинальный момент на валу, нужно убедиться в способности преобразователя обеспечить работу двигателя на частотах, близких к нулю. Кроме того, с диапазоном регулирования скорости связан еще один вопрос, который требует решения, – охлаждение двигателя. Обычно асинхронный двигатель (с самовентиляцией) охлаждается вентилятором, закрепленным на его валу, поэтому при снижении скорости эффективность охлаждения резко падает. Некоторые преобразователи снабжены функцией контроля теплового режима с помощью обратной связи через датчик температуры установленного на самом двигателе. Существуют и другие варианты решения данного вопроса, но уже без использования частотного преобразователя.




Режим торможения.

Торможение выбегом, аналогично отключению двигателя от питающей сети, при этом процесс может занять продолжительное время. Особенно если это высокоинерционные механизмы. С помощью частотного преобразователя можно осуществить останов или торможение двигателя с переходом на более низкую скорость работы за более короткий промежуток времени. Возможно несколько вариантов:

- отдать в сеть(рекуперировать), а такие преобразователи стоят несколько дороже;

- выполнить остановку подачей на обмотки статора напряжения более низкой частоты или постоянного напряжения, тогда избыток запасенной кинетической энергии выделится в виде тепла через радиаторы преобразователя и сам двигатель (торможение двигателем);

- выполнить остановку или торможение замыканием обмоток статора на сопротивление. Опять же, если речь идет о небольших мощностях (до 10кВт), то тормозное сопротивление может быть встроенным. В противном случае применяется узел торможения, состоящий из тормозного прерывателя, выполняющего функцию ключа и самого тормозного сопротивления, либо тормозное сопротивление подключается напрямую к частотному преобразователю и так называемый тормозной модуль является уже встроенным.

Целесообразность применения того или иного метода рассматривается в основном с точки зрения экономической выгоды. Так рекуперация в сеть более выгодна в плане экономии электроэнергии, привод с использованием тормозного сопротивления – более дешевое техническое решение, торможением двигателем вообще не требует дополнительных затрат, но в свою очередь возможно только при малых мощностях.

Способы управления частотным преобразователем.

Некоторые механизмы должны управляться от задания, плавно изменяя обороты двигателя с вращением ручки потенциометра, а в некоторых случаях требуется работа на фиксированных скоростях. Причем, и в том и другом случае может быть возможным управление как с самой панели ЧП, так и по аналоговым, цифровым входам с помощью кнопок, переключателей и потенциометров. При реализации последнего варианта необходимо убедиться в достаточном количестве требуемых входов. В случае использования внешнего управляющего устройства (контроллера, логического реле и т.д.), необходимо убедиться в согласовании по техническим параметрам. Обычно это токовые или вольтовый сигналы с диапазонами 0…20мА, 4…20мА и 0…10В соответственно. Если управление преобразователем частоты происходит по сети, то необходимо наличие соответствующих интерфейса с протоколом передачи данных. Управление двигателем может проходить автоматически, для этого необходимо наличие ПИД-регулятора и возможность организовать обратную связь от датчика контролируемого параметра.




Индикация параметров.

Как правило, любой преобразователь имеет панель с дисплеем и необходимыми органами управления для проведения пуско-наладки и управления преобразователем. Как правило, этот же дисплей в процессе работы возможно использовать для отображения каких либо параметров. Могут отличаться количеством строчек, а значит информативностью, типом самого дисплея(семи сегментный индикатор либо жидкокристаллический). В случае невозможности во время работы наблюдать параметры на дисплее самого преобразователя используя аналоговые и дискретные(релейные, транзисторные) выходы можно вывести необходимую информацию на пульт. Помимо индикации параметров (состояния «работа», «авария», «режим торможения», значение тока нагрузки, обороты двигателя, частота и напряжение питающей сети и др.) некоторые преобразователи имеют возможность формировать сигналы управления посредством тех же аналоговых и дискретных выходов, тем самым реализовывать более сложные системы управления.

Защитные функции.

Кроме функций управления на преобразователь частоты обычно возлагаются функции защиты. Как правило, основным набором являются:

- ограничение тока при пуске, при продолжительной работе, при остановке и коротком замыкании;

- защита от перенапряжения и пониженного напряжения;

- контроль температуры двигателя;

- защита от перегрева радиатора;

- защита выходных IGBT;

Монтаж и установка преобразователя частоты.

Немаловажным этапом является выбор предполагаемого места установки частотного преобразователя, а отсюда условий эксплуатации:

- диапазон рабочих температур;

- влажность;

- высотность;

- вибрации;

- степень защиты IP;

Компактность в некоторых случаях является решающим фактором на этапе выбора. Каковы габариты устанавливаемого привода и способ установки? Возможно ли радиаторы силовой части преобразователя вынести на тыльную часть, обеспечив при меньших габаритах шкафа достаточную вентиляцию? Информация об условиях окружающей среды является неотъемлемой частью технических характеристик и не соблюдение их при установке может привести к выходу из строя преобразователя. В процессе установки возникает множество вопросов, но это одни из первых с которыми приходится столкнуться.

Функциональные возможности частотного преобразователя.

Современные преобразователи частоты имеют множество функциональных возможностей. Перечислим часто встречающиеся по мере их важности.

Работа при нестабильном питании.

Это актуальный параметр особенно для использовании в России. Отсюда вопрос: «каков допустимый диапазон питающего напряжения?». В таком случае хороший диапазон для современных преобразователей это 380–460 В с отклонением ±10%. Следует уточнить каковы действия преобразователя при просадке или полном отключении питания на короткое или очень короткое время? Возможно ли сохранение работоспособности с пропорциональным изменением скорости, момента двигателя, автоматический перезапуск после восстановления питания, подхват работающего двигателя при повторном пуске после пропадания питания и т.д. Если имеющиеся функциональные возможности обеспечивают допустимый режим работы механизма с сохранением его работоспособного состояния, то можно считать, что вопрос о нестабильном питании для вас снят, в противном случае стоит либо решить вопрос с электроснабжением, либо задуматься о выборе другого преобразователя.




Исключение работы на резонансных частотах

Некоторые механизмы имеют собственные резонансные частоты при работе на которых наблюдается недопустимые вибрации, что может привести к поломке оборудования. В таких случаях функция исключения недопустимых частот в преобразователе позволит обезопасить механизм от его преждевременного выхода из строя.

Средства последовательной связи.

Обычно требуется либо включить привод в систему автоматического управления, либо предусмотреть перспективу такого использования преобразователя в будущем. Для этого необходимо разобраться со стандартом и протоколом связи В настоящее время существует большое их разнообразие, позволяющее сделать работу в режиме САУ наиболее оптимальной. Отличаться они могут удаленностью, количеством связываемых объектов и помехозащищенностью. Наиболее распространенный вариант это стандарт RS-485 и протокол Modbus, но для согласования работы в составе системы автоматического управления этот вопрос следует более подробнее уточнить и поставщика либо у производителя.

Автоматическая настройка.

На сегодняшний день выбор преобразователей велик, но еще встречаются простейшие модели в которых не производится настройка под параметры двигателя, а точнее его обмотки. В более поздних моделях требуется вводить ряд дополнительных справочных данных двигателя. Последние поколения преобразователей имеют возможность провести так называемый идентификационный пуск, при котором еще до пуска, либо уже у вращающегося двигателя параметры обмоток определяются автоматически. Если на выбираемом приводе предполагается реализовать прецизионную систему управления, то этот вопрос является особенно актуальным.

Принцип управления - скалярное или векторное управление.

В наиболее распространенном частотно-регулируемом приводе на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяются скалярное и векторное управление. При скалярном управлении чаще всего поддерживается постоянным отношение максимального момента двигателя к моменту сопротивления на валу. То есть при изменении частоты амплитуда напряжения изменяется таким образом, что отношение максимального момента двигателя к текущему моменту нагрузки остается неизменным. Это отношение называется перегрузочная способность двигателя. Важным достоинством скалярного метода является возможность одновременного управления группой электродвигателей. Скалярное управление применимо для большинства практических случаев использования частотного электропривода с диапазоном регулирования частоты вращения до 1:40. Векторное позволяет существенно увеличить диапазон управления до 1:1000 и выше, точность регулирования по скорости – до сотых долей процента, точность по моменту – до единицы процента. Так же отличительной особенностью векторного регулирования является возможность управлять моментом на частотах близких к нулю.

Возможность использования нескольких наборов параметров.

Последнее поколение частотных преобразователей имеют функциональную возможность выбирать различные комбинации настроек для нескольких режимов работы одного и того же двигателя или для нескольких двигателей, имеющих различные технические параметры.

Выбор частотного преобразователя, как высокотехнологичного оборудования, сам по себе не прост и в конечном итоге сводится к экономической целесообразности приобретения и использования. Отсюда, не стоит слишком завышать требования и тем самым переплачивать за неиспользуемые опции, и в тоже время отказываться от нужных в надежде сделать механизм, привод и систему в целом работоспособными.


При выборе преобразователя частоты не стоит забывать и о таком вопросе, как приобретение и использование дросселей. Существует два типа дросселей:
сетевой;
моторный.

Сетевой дроссель подключается непосредственно в сеть питания частотного преобразователя, он выполняет защитные функции, являясь своего рода двусторонним буфером между преобразователем и нестабильной сетью.

Моторный дроссель подсоединяется между двигателем и преобразователем частоты. Он выполняет функции, связанные с ограничением скорости нарастания напряжения, а также для ограничения токов короткого замыкания.



Сетевой дроссель для преобразователя частоты