Частотный преобразователь для электрического двигателя: назначение, свойства, схемы подсоединения

Электрические двигатели — составная часть часть бытовой и техники для строительных работ, оборудования для производства. Ограниченной мощности моторы стоят в кулерах, которые обеспечивают охлаждение компьютерной техники и устройств электроники. Но абсолютно не все хорошие и недорогие двигатели как правило будут работать с различной скоростью, а это уменьшает сферу их использования. Преобразователь частоты для электрического двигателя как раз и предназначается для того, чтобы обойти эту сложность. Данный прибор изменяет частоту электротока, что дает возможность решить очень много проблем.

Преобразователь частоты для электрического двигателя: назначение и функции

Инверторный частотный преобразователь — электронное устройство для изменения частоты электротока и напряжения. Пределы изменений солидные. Частота может изменяться от 1 Гц до 500 Гц. И это не максимум, а предел регулировки нормального частотника. Современные частотные сварочные аппараты инверторного типа изготавливают на основе электроники, что дает возможность точно поддерживать частоту и напряжение. При большом желании можно сделать условия для плавного старта. Все это дает возможность использовать в какой то степени дешевые электрические моторы постоянного тока там, где до недавнего времени это было невозможно.

Некоторые преобразователи частоты управляются процессорами

Частотный преобразователь напряжения с асинхронным электрическим мотором

Асинхронные двигатели при включении потребляют больше в несколько раз энергии чем при штатной работе. Токи пуска могут быть в 6-8 раз выше рабочих. Такие мгновенные скачки просаживают сеть. Напряжение резко падает, потом также скачкообразно восстанавливается. При включении особо мощного движка, сетевые параметры изменяются настолько сильно, что воспринимаются чувствительной техникой как исчезновение. В результате перезапускается компьютерная техника, моргают или совсем гаснут лампы, перегорают блоки питания у отопительных котлов и т.д.

До недавнего времени остроту проблемы снижали установкой конденсаторов, которые сглаживали скачки. Но конденсаторы нужны большой емкости — по 70 мкФ на каждый киловатт мощности, плюс аналогичную емкость следует подключать для нейтрализации пускового тока. Однако даже в данном варианте скачки были, как и перегрузки мотора на старте. Также подключение через емкость «съедало» большую часть мощности мотора. Для компенсации потери нужно было приобретать намного мощнее агрегаты, устанавливать намного мощнее пусковые конденсаторы. В общем, решение не лучшее, но иного по существу, не было.

Автоматический регулятор частоты подбирают по мощности подключаемого оборудования (должен быть запас не менее 20%) и по току (тоже с запасом)

С возникновением преобразователей частоты (ПЧ) проблему можно решить более эффектно. Важная функция данного оборудования — плавный и постепенный разгон мотора с нуля до полной мощности. В течении конкретного временного промежутка (может задаваться, а может быть фиксированной величиной), подаваемый на мотор ток медленно изменяет собственные параметры, выводя движок на режим функционирования. Никаких перегрузок, воздействия на сети. И конденсаторы не требуются, значит мощность мотора может быть приблизительно на 40% меньше чем до недавнего времени (собственно настолько она снижалась с конденсаторами). Точно также, понемногу, происходит выключение. Мотор который работает от электричества понемногу замедляется, потом останавливается. В общем, преобразователь частоты для электрического двигателя увеличивает срок его эксплуатации, убирает проблематику пусковых токов, стабилизирует параметры сети.

Что даёт использование частотного преобразователя напряжения с двигателем синхронного типа

Синхронные электрические двигатели постоянного тока имеют простое устройство, после выхода на требуемую скорость работают стабильно. Минусы — трудности с пуском и невозможность регулирования скорости вращения вала. Проблематику пуска давно научились обходить — выполняют асинхронную пусковую обмотку, которой разгоняют до необходимой частоты. А вот невозможность менять скорость особенно сильно уменьшает сфера использования. Мало устройств, в которых нет надобности в различных быстроходных режимах работы мотора. Это вентсистемы, кулеры.

Таблица с несколькими моделями, их параметрами и ценами

Если с синхроным электрическим двигателем применять преобразователь частоты, проблема изменения скоростей решается на раз. Причем эта связка работает настолько хорошо, что японцы уже выпустили новые электропоезда на подобной тяге. Начало появляться и другое аналогичное оборудование. Причем не только тяговое — новые электрифицированные инструменты большинство производителей начали отпускать с подобными моторами. Да, стоит данное оборудование дороже, однако имеет неплохой КПД, работает стабильно.

Рабочий принцип

Преобразователь частоты — данное устройство, которое медленно изменяет частоту начального напряжения. Есть устройства, которые работают как от однофазной (220 В), так и от трёхфазной системы электроснабжения (380 В). Предел изменения частоты — от 0,1 Гц до 500 Гц. Есть преобразователи 2-ух типов — индукционного и электронного. Электромеханические имеют невелик КПД, так что применяются реже. Фактически все современные преобразователи частоты — электроника с системой управления и контроля.

Как работает частотный преобразователь с электрическим двигателем? Известно, что вал асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором крутится со скоростью, которая зависит от частоты питающего напряжения. Скорость вращения ротора определяется по следующей формуле:

n = 60 * f / p

где n — скорость вращения ротора; f — частота питающего напряжения, p — число пар полюсов статора. Как можно заметить, зависимость прямая. Чем выше частота питающего напряжения, тем быстрее крутится ротор, чем меньше частота, тем очень медленно вращение. Вот на данной зависимости и выстроено управление асинхронным двигателем с помощью преобразователя частоты, его плавный старт и останов. Осталось разобраться как частотный регулятор это выполняет.

Устройство частотного преобразователя

Работает преобразователь частоты для электрического двигателя так:

1. Сетевое напряжение подается на выпрямитель, где превращается в постоянное.
2. На блоке преобразователя напряжения из постоянного напряжения возникают полярные импульсы (позитивные и негативные) необходимой частоты. Импульсы возникают по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
3. Импульсы преобразовуются в синусоиду той же частоты.

Как можно заметить, устройство не очень не простое, однако это базовый набор блоков. В намного непростые модели встраиваются дополнительные, обеспечивающие контроль показателей и защиту.

Блок-схема частотного преобразователя

Главный узел частотного преобразователя для электрических двигателей — преобразователь напряжения. Его собирают не основе IGBT транзисторов. Включая и выключая их, из постоянного напряжения формируем импульсы. Задавая частоту выключения и включения, на выходе приобретаем импульс с заданной частотой.

Если менять скважность импульсов — отношение продолжительности периода к продолжительности импульса — меняется площадь импульса, а это означает, и напряжение на выходе. Вот и приобретаем возможность применяя преобразователь частоты для электрического двигателя менять не только частоту, но и напряжение.

Последний блок — сглаживающий импульсы и превращающий их в синусоиду — находится совсем не всегда. Частота импульсов на выходе инверторного блока достигает нескольких килогерц. А обмотки мотора имеют высокую индуктивность, и сами работают как выходной фильтр.

Использование

Хорошие качества использования частотного преобразователя для электрического двигателя — снижение воздействия старта и торможения, возможность плавного регулирования скорости. Это позволяет управлять работой мотора без останова. Плюс ко всему, можно управлять группой двигателей, включать движок на 220 В к сети 380 В и наоборот. Все это разрешено делать с асинхронными двигателями:

• Вентиляторы, швейные машины.
• Насосы, дымососы, воздушные нагнетатели.
• Центрифуги.
• Большая стройтехника (бетоньерки, манипуляторы и т.д.).
• Токарные или станки для фрезерных работ.

Любой электродвигатель при подсоединении через преобразователь частоты работает стабильно. Так как основная часть устройств дает возможность подобрать необходимый распорядок принятия пищи для оснащения правильной работы.

Выпускают различной мощности — от нескольких ватт до десятков киловатт

Частотный преобразователь способна работать и с двигателями синхронного типа. Однако стоит сказать, что подбирать его нужно смотря на ток который потребляется. В основном, мощность ПЧ выходит очень высокой, но с этим ничего не поделаешь. Иначе работать мотор не будет. И необходимо учитывать, что двигатель синхронного типа во время работы на очень высоких частотах (выше 50 Гц) будет сильно шуметь, быстрее снашиваться.

Классификация и виды

Все преобразователи частоты для электрических моторов условно можно поделить на группы:

• Личные. Разработаны под какой-то конкретный вид и характеристики мотора.
• Многофункциональные. Из-за возможности менять параметры как правило будут работать с самыми разными двигателями.
• Специальные. Разрабатываются для определенных типов оборудования. К примеру, преобразователи для водонапорных установок (насосов) и вентиляторов (Mitsubishi FR-F740).
• Интеллектуальные. Имеют встроенный личный компьютер, имеют функции самодиагностики. ПЧ сам наблюдает за состоянием изнашиваемых частей и сообщает про необходимость из замены, когда ресурс заканчивается.

Очень доступные — личные. Однако они как правило будут работать лишь исключительно с моторами однотипны/мощности. Специальные тоже имеют довольно ограниченный диапазон подключаемого оборудования. Многофункциональные, с этой точки зрения, хороши, но стоит они намного дороже (труднее схема и больше элементов).

Подбирать нужно под определенное устройство

Но, все же, очень дорогие — интеллектуальные. Большинство из них управляться могут с помощью сенсорной панели, а не набора регуляторов. Более того, большинство моделей имеет ПДУ. Это комфортно, так как частотный регулятор можно установить далеко. В большинстве случаев их устанавливают в шкафах или где нибудь на вводе. Если есть наличие пульта ДУ можно настраивать работу, Находясь возле мотора и не бегая к шкафу.

Выбор по мощности

Основной параметр подбора частотного преобразователя для электрического двигателя — мощность. Частотник не должен быть менее мощным чем управляемый им мотор. Мощнее возможно, слабее — нет. Но все не легко, так как определенное соотношение мощностей зависит от типа оборудования, к которому будет подключаться преобразователь. Преобразователь частоты для электрического двигателя с 2-мя парами полюсов, обязан иметь мощность:

• равную двигателю, если движок работает регулярно (транспортеры);
• не ниже 150% от мощности, если движок работает с перегрузкой;
• не менее 120% от мощности движка для центробежных насосов и вентиляторов;
• для управления моторами техники для подъемных работ, может пригодиться двукратное превышение мощности.

При подборе необходимо смотреть на описание ПЧ, так как производственники часто нормируют нагрузки на постоянный и переменный момент. В определенных есть некоторые линейки под работу с постоянным и переменным моментом. К примеру, преобразователи частоты Delta (Дельта).

Мощность и ток который потребляется — два ключевых показателя выбора

Плюс ко всему, нужно отслеживать эти параметры:

• Номинальный долгий ток преобразователя частоты должен быть не меньше рабочего употребления тока управляемого оборудования.
• Если подключаться будет несколько двигателей, ток ПЧ должен быть не менее чем на 25% больше суммарно потребляемого подключенными устройствами.

Если нужно обеспечить быстрый разгон устройств, лучше подобрать более мощный преобразователь — он быстрее справится с задачей.

Дополнительные функции и параметры

Современный преобразователь частоты для электрического двигателя — не простое устройство. Если он сделан на базе процессора, то функций имеет много. Даже дешевые модели обладают широкой практичностью. Для оправданного выбора нужно знать, что означает любой из показателей и зачем необходима та или другая функция.

• Выходная частота или диапазон ее изменения. Здесь все ясно. Таким параметром описываются возможности изменения частоты на выходе.
• Пределы регулирования напряжения. Вопросов тоже не появляется.
• Вид изменения частоты. Может быть векторным и скалярным. Скалярный применяется в более обычных моделях. Параметры отслеживаются по соотношению напряжения и частоты. Векторный вид изменения частоты в ЧМ подстраивает работу таким образом, чтобы в отношении к нагрузке, момент вращения был постоянным. Этот метод управления намного сложнее и хороший, используется в моделях подороже.
• Наличие ПИД-регулятора. Держит давление, температуру и скорость в заданных пределах (ставятся с помощью ручки или программируются). Для связи с другими средствами управления обязан иметь сигнальные выводы (аналоговые и/или цифровые).
• Юстировка скорости. Помогает при смене или скачках питания стабилизовать работу мотора.

Список параметров преобразователя частоты SV015IG5A-4

Не считая показателей и дополнительных возможностей, на работу оказывает влияние качество сборки. Естественно, лучше всего взять оборудование ведущих производителей. Отлично себя проявили ABB, Siemens, Mitsubishi, Omron. Однако их частотники недорогими нельзя назвать. Если необходимо сэкономить и внешний вид не очень важна, внимание свое обратите на отечественных и белорусских изготовителей. Оформление с внешней стороны, как водится, хочет быть лучше, а характеристики и стабильность работы неплохие.

Эксплуатационные особенности двигателей с преобразователями частоты

Как уже выше сказано, применяя преобразователь частоты для электрического двигателя, уменьшаем потери мощности благодаря уменьшению реактивной составляющей тока. Плюс к этому, есть определенные факторы, которые следует знать:

• Во время работы на сниженных оборотах возможен перегрев мотора. Это происходит благодаря снижения скорости естественного обдува. Хорошо виден перегрев на скоростях, близких к номинальным. Для уменьшения температуры в подобном случае лучше всего применять дополнительный обдув.
• Во время работы обычного электрического мотора (на 50 Гц) на очень высоких скоростях вращения, необходимо учесть состояние подшипников. Из-за возникающей более большой вибрации они быстрее ломаются. Для нивелирования данного явления можно применять виброгасящие подкладки. Более того, частоту нужно подбирать таким образом, чтобы не появилось резонанса. И имейте в виду: на очень высоких скоростях шуметь вентилятор электрического мотора будет побольше.

Нужно иметь в виду специфики работы

Преобразователь частоты для электрического двигателя увеличивает возможности его применения. Это важно, но также имеет большое значение правильно его выбрать, приняв во внимание все специфики работы. Это гарантирует продолжительную эксплуатацию двоих устройств.

Подключение к электрическому двигателю

Для оснащения неопасной работы, перед частотным преобразователем лучше всего устанавливать автомат защиты. Причем на трёхфазную систему электроснабжения необходим трехфазный автомат, а не три индивидуальных однофазных. Это даст возможность быстро выключить сразу все фазы как при перегрузке проводки, так и при перекосе на одной из фаз. Номинал автоматов подбирают по току нагрузки.

Подключение нулевого и заземляющего проводников в первую очередь. Тянут их от соответствующих шин напрямую — с помощью провода необходимого сечения. Для защиты человека и контроля за состоянием изоляции, в схему лучше всего добавить еще Устройство защитного отключения (УЗО). Его включают перед автоматом. При появлении тока утечки, Устройство защитного отключения одновременно разорвет фазы и ноль, полностью обесточив схему.

Схема разрабатывается в зависимости от назначения устройства с которым работает электрический двигатель

При приобретении недорогих моделей преобразователей, для пуска и останова может пригодиться установка специализированного реле, фиксирующего контакты в необходимом положении. В данном варианте с выхода автомата провода подаются на реле, а с его выхода идут на преобразователь частоты. Само подключение двигателей к ПЧ происходит напрямую.

Схема подсоединения частотного преобразователя для 2-ух электрических двигателей

Как все знают, асинхронные двигатели как правило будут работать как с однофазным, так и с трехфазным напряжением. Перед подключением движка к преобразователю частоты, нужно проверить как подключены обмотки. Они обязаны быть:

• «звездой» — если напряжение на выходе ПЧ трехфазное;
• «треугольником» — если преобразователь выдаёт однофазное питание.

Преобразователь частоты для электрического двигателя: подключение напрямую возможно не для всех двигателей

Преобразователь частоты для электрического двигателя подсоединяется с помощью кабелей (не проводов), сечение и параметры которых соответствуют показателям устройства. Эти сведения, как и советы по подключению, обязаны быть в паспорте прибора. Так что тщательно проштудируйте мануал. Это может спасти от многих неприятностей. Все же могут быть характерности.

Первый пуск и настройка

Перед первым включением собранной схемы, на преобразователе частоты выставляется минимально потенциальная частота вращения вала. Потом включаем автомат, подаем питание на инверторный частотный преобразователь. На нем должны воспламениться светоизлучающие диоды. В моделях с монитором, на экране отобразятся стартовые критерии прибора. Дальше действия такие:

• Краткосрочно жмем кнопку «пуск» на частотнике.
• Вал начинает не быстро вращаться. Если он двигается не в ту сторону, можно либо перепрограммировать направление вращения (смотрим в инструкции), либо перекинуть фазы заранее отключив автомат.
• Если вал крутится в необходимом направлении, с помощью регулятора задаем требуемую частоту.

В большинстве моделей на экране отображается не скорость вращения вала, а частота подаваемого напряжения. Если это так, потребуется по таблице пересчитывать значения.