Изобретателем электродвигателя с непосредственным вращением вала считается русский физик немецкого происхождения Б. С. Якоби. Это событие произошло в 1834 году. Такие устройства используются в быту, в промышленности, на транспорте, в сфере жилищно-коммунального хозяйства и т. д. С момента изобретения инженеры и учёные работали над увеличением коэффициента полезного действия, удельной мощности электрических агрегатов и повышением их надёжности. Параллельно велись исследования, направленные на регулировку механических параметров электродвигателей.
К числу таких параметров относится число оборотов в единицу времени, направление вращения, мощность на валу, крутящий момент и момент инерции, КПД и момент скольжения.
Этот материал подготовлен, чтобы познакомить читателей с современными подходами к воздействию на характеристики электромоторов с помощью частотных преобразователей. Регулирование широко применяется в станках, системах автоматизированного управления технологическими процессами (АСУ ТП), в насосном оборудовании, устройствах HVAC (Heating, Ventilation, & Air Conditioning — отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха) и т. д.
Время чтения: 15 минут
Общие сведения о частотных преобразователях
Частотный преобразователь представляет собой устройство, относящееся к силовой электронике, с помощью которого автоматически меняются период и сила тока, питающего двигатель. При изменении этих характеристик происходит регулировка скорости вращения вала электромотора.
С помощью этого устройства решаются следующие задачи:
- Старт и остановка работы двигателя происходят плавно. При этом уменьшаются динамические нагрузки на механические части мотора. Адаптивная регулировка режимов работы электродвигателя позволяет исключить эксплуатацию мотора на оборотах, близких к механическому резонансу. Как следствие, увеличивается срок его службы.
- Мощность, развиваемая силовой установкой, адаптируется к фактической нагрузке, что приводит к повышению коэффициента полезного действия оборудования. При этом электроэнергия используется наиболее рационально.
- Силовая электроника содержит встроенные системы защиты, что позволяет предотвратить аварийные ситуации.
- Частотные преобразователи обеспечивают устойчивую работу оборудования в условиях нестабильной питающей сети. В случае кратковременного отключения питания они автоматически перезапускают объект регулирования.
Конверторы могут управлять определёнными типами моторов. На них наносится маркировка Inverter Duty (инверторная регулировка).
Принцип работы частотного преобразователя
Распространены два способа электронного воздействия на силовую установку: скалярный и векторный.
Скалярное управление обеспечивается за счёт изменения периода и напряжения питания электромотора. Поэтому его иногда называют вольт-частотным. Такой подход используется для контроля работы асинхронных силовых агрегатов малой и средней мощности.
Скалярно управляемые устройства отличаются:
- относительной простотой, надёжностью и невысокой ценой;
- невозможностью воздействовать на крутящий момент двигателя, что приводит к обеспечению небольшого значения коэффициента полезного действия;
- малой динамикой и невысокой точностью;
- возможностью управления несколькими двигателями одновременно;
- незначительной потребностью в вычислительных средствах.
Метод используется в насосном, вентиляционном оборудовании, в электроприводах конвейерных механизмов, в простых станках и т. д.
На примере простого скалярного конвертора инверторного типа рассмотрим принцип работы вольт-частотного устройства.
Конвертор состоит из силового блока и блока управления. В состав силового блока входят:
- 1 - выпрямитель;
- 2 - фильтр;
- 3 - инвертор;
- 4, 5, 6 - датчики тока;
- 7 - трёхфазный электромотор.
Узлы 1 и 2 преобразуют входное переменное напряжение в постоянное. В инверторе происходит обратное преобразование. Выходной сигнал инвертора представляет собой серию прямоугольных импульсов, формируемых методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Он характеризуется амплитудой и периодом, необходимой в данный момент времени для работы электромотора в заданном режиме. Отношение амплитуды к частоте поддерживается постоянным при условии, что форма огибающей импульсного сигнала должна быть близка к синусоиде.
Для реализации этого условия частота работы ШИМ должна быть значительно больше 50 Гц — в 20 и более раз.
Блок управления представляет собой элемент интеллектуальной обратной связи на основе микропроцессора. Процессор анализирует данные, поступающие на него с датчиков тока. На основании такого анализа он регулирует режим работы узлов 1 и 3, оптимизируя питание мотора и обеспечивая его плавный пуск.
Блок управления защищает устройство от всех видов перегрузок или неисправностей объекта регулирования.
При векторном управлении изменяются вольт-частотные параметры фаз питающей сети и фаза (или магнитный поток статора). Такой способ регулировки режима работы мотора используется в синхронных и асинхронных агрегатах.
Этот метод контроля параметров силовой установки отличается:
- стабильной скоростью разгона электропривода и точностью определения положения вала двигателя;
- наличием регулировки магнитного поля, создаваемого статором (это позволяет оптимизировать крутящий момент в зависимости от периода вращения вала мотора и величины нагрузки на вал);
- увеличенным коэффициентом полезного действия;
- потребностью в значительных вычислительных ресурсах для реализации расчётов с использованием сложного математического аппарата.
В векторном конверторе обратная связь обеспечивается датчиками положения ротора. Она необходима для коррекции управляющего воздействия и сбора данных о статусе электромотора.
В векторных преобразователях применяют следующие типы датчиков положения ротора или их комбинацию:
- Квадратурный инкрементальный энкодер. Такое устройство обеспечивает получения данных об относительном положении вала мотора.
- Прибор, использующий эффект Холла. Это устройство позволяет получить информацию об абсолютном положении ротора, но точность таких данных невелика. Он выдаёт не более шести импульсов на оборот вала двигателя. Поэтому для векторного управления он используется в сочетании с квадратурным энкодером.
- Датчик с цифровым интерфейсом связи. Фактически это абсолютный энкодер, в котором устранены недостатки первых двух типов датчиков. Это сложное и дорогое устройство.
- Аналоговый сенсор сельсинного типа. Это прибор электромеханического вида, характеризуемый повышенной точностью измерения положения вала двигателя. Его основа — дополнительная катушка в двигателе синхронного типа, размещаемая на роторе. На неё подаётся высокочастотный ток, под воздействием которого в обмотках статора электромотора наводится напряжение. При вращении вала величина этого напряжения изменяется по гармоническому закону с периодом, определяемым скоростью вращения. Измеряя величину напряжений в обмотках статора и фазовый сдвиг между ними, получают сведения о положении ротора.
Векторное воздействие используется в силовых установках большой мощности, например, в грузоподъёмных механизмах и в высокопроизводительном вентиляционном оборудовании. Метод востребован в автоматике и робототехнике, в станках с числовым программным управлением. В этих сферах нужна высокая точность движения механизмов.
Классификация преобразователей
Конвертеры классифицируют по следующим базовым отличительным признакам:
- по назначению: широкого применения и промышленные;
- по типу управляющего воздействия: скалярные или векторные;
- по номинальной мощности: малой (до 6 кВт) и большой (свыше 6 кВт);
- по схеме электропитания: однофазные и трёхфазные;
- по точности регулирования: высокоточные (0.01% и выше) и средней точности, которая на порядок хуже;
- по рабочему напряжению: низковольтные (до 1 кВ) или высоковольтные (более 1 кВ);
- по схемному построению: изделия с непосредственной связью или аппараты инверторного типа;
- по способу подключения электромотора: по схеме «звезда» или «треугольник»;
- по конструктивному исполнению: стоечные, модульные или панельные аппараты;
- по защите от воздействий.
По последнему классификационному признаку выделяют технику общего назначения с классом защиты IP20-IP40 и промышленные установки с защитой по стандарту IP65.
Теперь рассмотрим основные параметры, учитываемые при выборе преобразователя.
Мощность
Этот параметр выбирают на основе предельной мощности, потребляемой нагрузкой. Для достижения максимальной надёжности аппарата его номинальная мощность должна быть равна предельной мощности нагрузки.
Тип двигателя
С помощью конверторов могут регулироваться асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым или фазным ротором, а также моторы синхронного типа.
Перегрузочная способность
Чем она больше, тем в более жёстких условиях эксплуатации может работать силовая электроника. Это относится к динамическим нагрузкам на объект регулирования.
Например, преобразователь частоты для насоса, обеспечивающего циркуляцию воды в замкнутом контуре, работает стабильно с постоянной нагрузкой.
Другая ситуация возникает в процессе эксплуатации преобразователя частоты для вентиляции на промышленном предприятии. В этом случае объём прокачиваемого воздуха определяется количеством открытых пользователями воздухозаборников. Нагрузка на электродвигатель изменяется в широких пределах. При этом возможны эпизодические перегрузки.
Условия эксплуатации
К ним относятся температура, давление и влажность окружающего воздуха, вибрации, перепады питания, частота и длительность отключения сети.
Недооценка этих факторов приводит к выходу из строя силовой электроники.
Поддерживаемая схема подключения двигателя
Соединение по схеме «звезда» обеспечивает плавную работу электромотора, но не позволяет получить от него максимальную мощность. Подключение по варианту «треугольник» позволяет преодолеть указанный недостаток, но для него характерны большие стартовые токи.
Способ регулирования
Распространены скалярные устройства. Они отличаются простотой и хорошими эксплуатационными качествами. Такие изделия применяются в агрегатах HVAC, насосах, вентиляционной технике, двигателях конвейеров, электроприводах станочного оборудования.
Векторные аппараты используются в областях, где необходима высокая точность регулирования и хорошие динамические характеристики.
К таким сферам относятся:
- текстильная, металлургическая и пищевая индустрия;
- электроэнергетика;
- робототехника;
- станки с числовым программным управлением;
- лифтовое хозяйство в многоквартирных домах.
В последнем случае для точной оценки скорости перемещения кабины лифта в системе регулирования применяется инкрементальный энкодер.
Распространённые ошибки при выборе и монтаже
К таким ошибкам относятся неправильный выбор типа двигателя, недооценка условий эксплуатации силовой электроники, игнорирование требований электромагнитной совместимости оборудования, некорректная настройка программного обеспечения конвертора.
Несоответствие типа электромотора выбранному промышленному преобразователю частоты
С помощью конверторов могут регулироваться только электродвигатели асинхронного типа с короткозамкнутым и фазным ротором и синхронные моторы. На них наносится маркировка Inverter Duty (инверторное управление).
Недооценка условий эксплуатации
Неправильный выбор прибора по условиям эксплуатации приводит к отказу аппаратуры.
Если интенсивность вибрации оборудования, на котором монтируется силовая электроника, больше величин, указанных в её характеристиках, придётся выбирать другое место установки. В качестве альтернативного решения можно установить преобразователь на амортизаторы.
Игнорирование требований электромагнитной совместимости
Преобразователь служит источником коммутационных радиопомех, которые излучаются в виде электромагнитных волн и передаются по цепям питания.
Чем меньше период колебания ШИМ, тем более интенсивны помехи. Они могут приводить к некорректной работе или сбоям в работе чувствительной электроники.
Для предотвращения этого используют сетевые фильтры радиопомех, экранируют чувствительные приборы. При необходимости монтируют их на значительном удалении от силовой электроники.
Ошибки в настройке программного обеспечения
Большинство параметров силового оборудования задаётся программным способом.
В базовый перечень входят следующие группы характеристик:
- параметры основных функций и двигателя;
- входные и выходные сигналы на клеммах сигналов регулировки;
- управление стартом и остановом;
- характеристики пропорционально-интегрально-дифференцирующего регулятора (ПИД-регулятора);
- настройки клавиатуры и дисплея;
- программирование мониторинга.
В качестве примера рассмотрим последствия неправильного выбора периода несущего колебания ШИМ. Если двигатель расположен в нескольких сотнях метров от конвертора, то выбор частоты ШИМ более 3 кГц приведёт к большим потерям энергии в соединительных проводах и ухудшению коэффициента полезного действия всего силового оборудования.
Ошибки в монтаже
Подключение внешних цепей к преобразователю должно осуществляться в соответствии со схемой, рекомендованной производителем.
Ошибочное подключение питающей сети к выходным клеммам для присоединения нагрузки (U, V, W) приведёт к выходу конвертора из строя.
Для оборудования заземления нескольких преобразователей и внешних устройств может использоваться общая шина. К ней не должны подключаться сварочные аппараты и другая аппаратура с большим потреблением мощности.
Обзор популярных моделей
На примере линейки преобразователей частоты Vesper, включающей более сотни аппаратов, познакомимся с основными параметрами устройств скалярного типа.
Общие технические характеристики серии Vesper E5-MINI
Устройства из этой серии представляют собой компактные преобразователи частоты. Они предназначены для обеспечения оптимального управления моторами. Объектами регулирования выступают асинхронные трёхфазные электродвигатели с короткозамкнутым ротором.
Основные эксплуатационные параметры оборудования Vesper E5-MINI приведены в следующей таблице.
| Характеристика | Значение | Примечание |
| Выходное напряжение | 0–100% | Проценты от напряжения питания |
| Выходная частота, Гц | 0–600 | |
| Частота преобразователя ШИМ, Гц* | 1–16000 | |
| Время разгона/торможения, с |
0.01–650 0.1–6500 1–65000 |
|
| Тормозной крутящий момент, %** | До 20 |
|
| Пусковой момент % /Гц | 150 |
|
| Условия эксплуатации | ||
| Степень защиты | IP20 |
|
| Рабочая температура, 0С | От -10 до +50 |
|
| Влажность, % | До 95 | Без образования конденсата |
| Вибрация м/с2 |
До 9.81 До 1.96 |
На частотах 0–20Гц На частотах 20–50Гц |
Примечания:
*Эти параметры изменяются динамически в зависимости от нагрузки на двигатель, изменением параметров питающей сети и др.
**Для получения тормозного момента до 100% в моделях с питанием от источника 220 В предусмотрено подключение внешнего «тормозного» резистора 100 Ом мощностью 1200 Вт. В моделях с питанием от сети 380 В такая опция не обеспечивается.
В аппаратуре поддерживаются следующие основные виды защиты:
- мгновенная по току (250% от номинальной величины);
- от перегрузки (150% от номинальной величины в течение одной минуты);
- от перегрузки электродвигателя;
- от повышенного напряжения (отключение при напряжении на шине постоянного тока более 820В);
- от пониженного напряжения (отключение при напряжении на шине постоянного тока менее 380В);
- от перегрева.
Устройства поддерживают функцию автоматического перезапуска после просадки питающего напряжения и запрета от обратного вращения.
Для внешних подключений в аппаратуре имеются 4 дискретных и один аналоговый входы, релейный и дискретный транзисторный выход.
Для связи с внешними устройствами используется протокол промышленной автоматизации Modbus RTU и интерфейс RS485.
Программирование параметров конверторов доступно с передней панели. Для копирования запрограммированных характеристик применяется панель оператора ПУ-Е5, которая может использоваться как выносной пульт управления.
Программирование выходной частоты в широком диапазоне позволяет расширить область применения конверторных устройств. Большинство электрооборудования рассчитано на питание от сети частотой 50 Гц. В технике для специальных применений обычно используется частота 400Гц.
Аппаратура для некоторых зарубежных рынков сбыта рассчитана на питание током 60Гц.
Если прибор включается в сеть совместно с другими устройствами, на его входе необходимо включить фильтр электромагнитных помех, создаваемых аппаратом.
Заземление конверторов производится с применением одной из систем: TN-S или TT.
Аппараты монтируются в шкафу с естественной вентиляцией.
Основные характеристики Vesper E5-MINI 2.2 кВт S3L
Напряжение питания: 220В плюс 10% минус 15%.
Номинальная (полная) мощность аппарата: 2.2 кВт (3 кВА).
Выходной ток: 10А.
Габаритные размеры (ШхВхГ): 80х192х151 мм.
Масса: 1.1 кг.
Основные характеристики Vesper E5-MINI 5.5 кВт 007H
Внешний вид частотника 5.5 кВт не отличается от уже рассмотренной модели.
Напряжение питания: 380В плюс 10% минус 15%.
Номинальная (полная) мощность аппарата: 5.5 кВт (7.5 кВА).
Выходной ток: 13А.
Габаритные размеры (ШхВхГ): 95х246х161 мм.
Масса: 1.6 кг.
Использование Vesper E5-MINI в промышленности позволяет обеспечить энергоэффективность и точность регулирования, надёжность работы в условиях производственной среды, экономию электроэнергии, простоту интеграции в АСУ технологическими процессами.
Промышленная автоматизация невозможна без внедрения различных электронных приборов. Современная силовая электроника позволяет повысить энергоэффективность производства, улучшить качество управления электроприводами и увеличить их срок службы.
Кроме рассмотренных способов управления электродвигателями, возможна организация контроля за работой моторами путём вариации частоты вращения изменением числа пар полюсов или включением в цепь ротора с реостатом.
Такие устройства относятся к классу электромеханических приборов. Они имеют множество недостатков. В настоящей статье эти агрегаты не рассматриваются.
Чтобы купить преобразователь частоты для решения конкретной задачи и не ошибиться в выборе, воспользуйтесь каталогом и консультацией специалистов магазина Суперайс.
