Частотный преобразователь

Содержание

• Классификация
• Конструктивные особенности
• Принцип работы
• Технологии управления
• Способы управления
• Области эксплуатации
• Преимущества
• Схема подключения

Частотный преобразователь – устройство, основная функция которого – корректировка скорости вращения асинхронных электродвигателей. Использование переменного тока позволяет упростить схему оборудования, сделать его конструктивно проще и надежнее, в сравнении с аналогами, работающими на постоянном токе. Именно этот момент объясняет популярность таких моторов.

Частотник гарантирует плавный запуск и торможение, что снижает нагрузку на механические узлы, способствует увеличению эксплуатационного ресурса. В основном, техника используется в комбинации с крупными моторами.

У преобразователей есть альтернативные решения, например, вариаторы, работающие по механическому принципу, гидромуфты, но все они гораздо менее надежны, характеризуются множеством недостатков, от сложности конструкции до огромной цены.

Классификация

Частотные преобразователи можно классифицировать по нескольким показателям. Например, по типу подачи питающего напряжения представлены следующие модели:

• однофазные, бытовые;
• трехфазные, для промышленного применения;
• высоковольтные, специализированные, рассчитанные на огромные нагрузки.

Допустимо использование техники с различными типами приводов:

• однофазные, как конденсаторы, так и с разнесенными полюсами;
• трехфазные асинхронные;
• на постоянных магнитах.

Частотные преобразователи конструктивно могут быть как универсальными, ориентированными на применение в различных промышленных областях, так и специализированными, например, взрывозащищенными, что выражается в особом типе корпуса.

Конструктивные особенности

Классические частотники функционируют по принципу двойного преобразования, что предполагает наличие следующих внутренних модулей:

• звенья постоянного тока;
• управляющий блок;
• импульсный инвертор.

Первый модуль преобразователя частоты используется для того, что трансформировать переменное напряжение в постоянное. Задача инвертора – преобразование напряжения, обеспечение нормативных характеристик по частоте и амплитуде, что обеспечивает эффективную работу электродвигателя, его защиту от механического износа и других факторов. В современных регуляторах частоты используется высокоточная электроника, благодаря чему выходной сигнал имеет минимальные искажения, не нарушающие работу мотора.

Принцип работы

Частотники используют в работе следующую схему:

1. Поступление тока, выпрямление синусоиды за счет тиристоров или диодного моста.
2. Нивелирование помех сигнала при помощи конденсаторов, что стабилизирует напряжения, исключает пульсацию.
3. Формирование трехфазной волны напряжения, характеризующейся определенными показателями. Для этого используется транзисторный мост и микропроцессор.
4. Формирование выходной синусоиды, характеристики частоты которой в точности соответствуют требованиям электродвигателя, с которым ведется взаимодействие.

Наиболее значимый компонент преобразователя – инвертор. Современные частотные регуляторы комплектуются инверторами, собранными из транзисторов IGBT. Определенная схема запуска и отключения этих компонентов обеспечивает формирование импульсов с оптимальной частотой. 

Технологии управления

На современных моделях преобразователей используются два принципа управления:

1. Скалярный. Стоимость такого частотника невысока. Как правило, такие преобразователи частоты комбинируются с моторами, где частоту вращения можно корректировать в пропорции 1 к 40. Такая пропорция характерна, например, для вентиляторов, помп, компрессоров. Плюс метода в том, что он может использоваться сразу с несколькими электродвигателями.
2. Векторный. Стоимость преобразователей частоты с векторным управлением выше, основной управляющий элемент – микропроцессор, гарантирующий максимальную точность и удобство. Процессор автоматически определяет, как взаимодействуют магнитные поля статора и ротора, что необходимо для точной регулировки скорости, ее стабильности вне зависимости от того, какая нагрузка сейчас приходится для оборудования. Такие модели оптимальны для техники, где требуется максимальный крутящий момент при минимальных оборотах. В категории преобразователей частоты векторного типа можно выделить модели без датчиков, и те, что дают обратную связь, позволяют контролировать скоростные характеристики. Первые решения дешевле, ориентированы на не слишком технологичные моторы, вторые – на наиболее современные.

Способы управления

Управлять частотными преобразователями можно несколькими способами:

1. Ручной. Оператор подает команду непосредственно с устройства или дистанционного пульта, если такая возможность предусмотрена технически. Дальнейшие действия определяются автоматикой, она скорректирует частоту вращения, если возникнет такая необходимость, или отключит устройство в аварийной ситуации.
2. Дискретный. Режим подразумевает, что частотный преобразователь – исполняющее устройство, соединенное в внешней управляющей системой.
3. Управление в соответствии с графиком. Метод возможен, если техника укомплектована программируемым процессором. Запуск, остановка, переключение режимов электродвигателя – все это возможно в определенное время либо по достижении конкретных параметров.

Области эксплуатации

Преобразователь частоты снижает нагрузку на электродвигатель, обеспечивает плавную корректировку мощности, скорости вращения ротора без необходимости остановки. Специализация – использование с моторами асинхронного типа, установленными на следующих устройствах:

• Вентиляционные установки, швейные машины.
• Компрессоры, водяные помпы.
• Конвейерные линии, лифты. Преобразователи обеспечивают транспортировку без ударных, рывковых нагрузок, за счет чего срок службы механизмов увеличивается, эксплуатация линии становится более безопасной.
• Центрифуги.
• Крупногабаритная строительная техника, грузоподъемное оборудование. Краны функционируют с постоянными запусками, остановками, изменениями нагрузки. При помощи частотников удастся снизить выраженность рывков и раскачивания при подъеме груза.
• Станки для фрезерования, токарной обработки. Без частотника невозможно корректировать обороты, запускать обратный ход, необходимый для надлежащей механической обработки заготовки. Модули используются в том числе и на самых современных станках с ЧПУ.

Практика показывает, что частотные преобразователи лучше всего подходит для управления электродвигателями, в сравнении с другими решениями, обеспечивая реализацию следующих функций:

• Запуск/остановка.
• Постепенный разгон/торможение.
• Корректировка скоростных показателей от 0 до 100 и более процентов, допустим выход мотора за номинальные значения, если это допустимо конструкцией и не предполагает риска повреждения.
• Обеспечение электродвигателю максимальной защиты от перегрева, короткого замыкания, работы под ненормативной нагрузкой.
• Активация обратного хода.

Преобразователи все чаще встречаются на электротранспорте, троллейбусах, трамваях. Такие машины более безопасны в работе (тормозная система работает эффективнее за счет электрического торможения), более экономичны, могут генерировать энергию во время торможения, а после – использовать ее в режиме обычного хода.

Преимущества

Положительные качества преобразователей следующие:

• Снижение расхода энергии. Использование преобразователей частоты позволяет уменьшить пусковые токи, установить мощность, на 100% соответствующую текущей нагрузке.
• Увеличение периода эксплуатации промышленной техники. За счет частотника скорость регулируется максимально точно, электромотор не перегружается, служит дольше. Актуален и экономический аспект, можно отказаться от применения дросселей, редукторов, механических тормозных систем и других вспомогательных комплексов, монтаж и обслуживание которых требует приличных вложений, сопряжено с риском поломки.
• Отсутствие потребности в профилактическом обслуживании. В частотниках нет подвижных механизмов, соответственно, их не нужно периодически смазывать и прочищать.
• Возможность наладки удаленного управления. Оператору не нужно постоянно находиться на рабочем месте, показания датчиков с преобразователей частоты можно получить дистанционно, как и отправить необходимые команды.
• Широкий диапазон мощностей. В каталогах представлено огромное количество частотников, некоторые ориентированы на небольшие моторчики, мощность которых составляет пару сотен ватт, другие – на высокопроизводительные силовые установки в 10 и более мегаватт.
• Обеспечение защиты от ненормативных рабочих режимов, повреждений. Регулятор частоты убережет мотор от перегрузки, короткого замыкания, обеспечит плавный рестарт в том случае, если произошло экстренное отключение электроэнергии.
• Уменьшение шума. Важный момент для бытовой эксплуатации, при помощи частотного регулятора удается в разы снизить гул, издаваемый приточно-вытяжным вентилятором или нагнетателем котельной установки.

Схема подключения

Подключение преобразователей частоты к мотору можно выполнить по схеме треугольник или звездочка. Конфигурация на обмотках статора в виде звезды оптимальна для устройств, подключенных к 380-вольтовой сети, треугольника – к 220-вольтовой.

При подборе методики подключения нужно ориентироваться на пропорции мощностей, чтобы исключить повреждение частотного преобразователя вне зависимости от того, в каком режиме функционирует мотор, будь то запуск под нагрузкой или вращение на стандартных оборотах без сопротивления. Работа с постоянной перегрузкой недопустима, она довольно быстро приведет к поломке без возможности восстановления, необходимости замены оборудования.

Экономическая выгода от использования частотного преобразователя несомненна. Минимальный расход энергии, снижение риска аварии, возможность эксплуатации недорогих асинхронных моторов – все это приводит к тому, что полностью окупить монтаж удается всего за 2-3 года.