Что такое частотник и зачем он нужен
Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы
В различных ситуациях может возникнуть необходимость преобразования частоты исходного тока в ток с напряжением регулируемой частоты. Это требуется, например, при работе асинхронных двигателей для изменения их скорости вращения. В этой статье будет рассмотрены назначение и принцип работы частотного преобразователя.
Что такое частотный преобразователь
Частотный преобразователь (ПЧ) – это электротехническое устройство, которое преобразовывает и плавно регулирует однофазный или трехфазный переменный ток с частотой 50 Гц в аналогичный по типу ток с частотой от 1 до 800 Гц. Такие устройства широко применяются для управления работой различных электрических машин асинхронного типа, например, для изменения частоты их вращения. Также существуют аппараты для использования в промышленных высоковольтных сетях.
Простые преобразователи регулируют частоту и напряжение в соответствии с характеристикой V/f, сложные приборы используют векторное управление.
Частотный преобразователь является технически сложным устройством и состоит не только из преобразователя частоты, но и имеет защиту от перегрузок по току, от перенапряжения и короткого замыкания. Также такое оборудование может иметь дроссель для улучшения формы сигнала и фильтры для уменьшения различных электромагнитных помех. Различают электронные преобразователи, а также электромашинные устройства.
Принцип работы частотного преобразователя
Электронный преобразователь состоит из нескольких основных компонентов: выпрямителя, фильтра, микропроцессора и инвертора.
Выпрямитель имеет связку из диодов или тиристоров, которые выпрямляют исходный ток на входе в преобразователь. Диодные ПЧ характеризуются полным отсутствием пульсаций, являются недорогими, но при этом надежными приборами. Преобразователи на основе тиристоров создают возможность для протекания тока в обоих направлениях и позволяют возвращать электрическую энергию в сеть при торможении двигателя.
Фильтр используется в тиристорных устройствах для снижения или исключения пульсаций напряжения. Сглаживание производится с помощью ёмкостных или индуктивно-ёмкостных фильтров.
Микропроцессор – является управляющим и анализирующим звеном преобразователя. Он принимает и обрабатывает сигналы с датчиков, что позволяет регулировать выходной сигнал с преобразователя частоты встроенным ПИД-регулятором. Также данный компонент системы записывает и хранит данные о событиях, регистрирует и защищает аппарат от перегрузок, короткого замыкания, анализирует режим работы и отключает устройство при аварийной работе.
Инвертор напряжения и тока используется для управления электрическими машинами, то есть для плавного регулирования частоты тока. Такое устройство выдает на выходе «чистый синус», что позволяет использовать его во многих сферах промышленности.
Принцип работы электронного частотного преобразователя (инвертора) заключается в следующих этапах работы:
Виды преобразователей частоты
Существует несколько типов частотников, которые на данный момент являются самыми распространенными для производства и использования:
Электромашинные (электроиндукционные) преобразователи: используются в тех случаях, когда невозможно или нецелесообразно применение электронных ПЧ. Конструктивно такие устройства являются асинхронными двигателями с фазным ротором, которые работают в режиме генератора-преобразователя.
Данные устройства являются преобразователями со скалярным управлением. На выходе из данного аппарата создается напряжение заданной амплитуды и частоты для поддержания определенного магнитного потока в обмотках статора. Они применяются в тех случаях, когда не требуется поддерживать скорость вращения ротора в зависимости от нагрузки (насосы, вентиляторы и прочее оборудование).
Электронные преобразователи: широко применяется в любых условиях работы для различного оборудования. Такие устройства являются векторными, они автоматически вычисляют взаимодействие магнитных полей статора и ротора и обеспечивают постоянное значение частоты вращения ротора вне зависимости от нагрузки.
По сфере применения оборудование может быть:
Каждый тип частотного преобразователя имеет определенные преимущества и недостатки и применим для различного оборудования и нагрузок, а также условий работы.
Управление частотным преобразователем может быть ручным или внешним. Ручное управление осуществляется с пульта управления ПЧ, которым можно отрегулировать частоту вращения или остановить работу. Внешнее управление выполняется при помощи автоматических систем управления (АСУТП), которые могут контролировать все параметры устройства и позволяют переключать схему или режим работы (через ПЧ или байпас). Также внешнее управление позволяет программировать работу преобразователя в зависимости от условий работы, нагрузки, времени, что позволяет работать в автоматическом режиме.
Для чего может быть нужен электродвигателю частотный преобразователь
Применение частотных преобразователей позволяет снизить затраты на электроэнергию, расходы на амортизацию двигателей и оборудования. Их возможно использовать для дешевых двигателей с короткозамкнутым ротором, что снижает издержки производства.
Многие электродвигатели работают в условиях частой смены режимов работы (частые пуски и остановки, изменяющуюся нагрузку). Частотные преобразователи позволяют плавно запускать электродвигатель и снижают максимальный пусковой момент и нагрев оборудования. Это важно, например, в грузоподъемных машинах и позволяет снизить негативное влияние резких пусков, а также исключить раскачивание груза и рывки при остановке.
При помощи ПЧ можно плавно регулировать работу нагнетательных вентиляторов, насосов и позволяет автоматизировать технологические процессы (применяются в котельных, на горнодобывающих производствах, в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей сферах, на водопроводных станциях и других предприятиях).
Использование частотных преобразователей в транспортерах, конвейерах, лифтах позволяет увеличить срок службы их узлов, так как снижает рывки, удары и другие негативные факторы при пусках и остановке оборудования. Они могут плавно увеличивать и уменьшать частоту вращения двигателя, осуществлять реверсивное движение, что важно для большого количества высокоточного промышленного оборудования.
Преимущества частотных преобразователей:
Конечно, глядя на такой список достоинств можно задаться вопросом, почему бы их не использовать для всех двигателей на предприятии? Ответ тут очевиден, увы, но это высокая стоимость частотников, их монтаж и наладка. Не каждое предприятие может позволить себе эти расходы.
Особенности и схема подключения частотного преобразователя к разным типам электродвигателей
Схема работы устройства плавного пуска, его назначение и конструкция
Преобразователи напряжения с 12 на 220 вольт
Устройство, виды и принцип действия асинхронных электродвигателей
Что такое импульсный блок питания и где применяется
Что такое контактор: назначение, принцип работы, виды, схемы подключения
Для чего нужен частотный преобразователь
Для чего нужен частотный преобразователь
Для чего нужен частотный преобразователь
Последнее время на производствах наблюдается тенденция, заключающаяся в переходе с синхронных электродвигателей или двигателей с фазным ротором на асинхронные. Этот сдвиг можно объяснить различными причинами и большинство из них связано с экономией. Асинхронные двигатели более компактны и требуют меньшего обслуживания, нежели двигатели с фазным ротором или синхронные электродвигатели с щетками. Да и в целом если сравнить цену асинхронного и синхронного двигателя одинаковой мощности и напряжения, то станет очевидным почему все больше руководителей предприятий стремятся к этому переходу.
Но одним из недостатков асинхронных двигателей является меньшая точность позиционирования вала и соответственно менее точное управление скоростью его вращения. Так же оператору необходимо иметь возможность оптимизировать режим работы электродвигателя так, чтобы не было ненужной, потраченной впустую энергии. Для этого важно понимать возможности практического применения частотно-регулируемого привода (ЧРП)
Среди вопросов, которые нужно изучить:
Ответы на эти вопросы позволят понять и максимально использовать возможности преобразователя частоты и минимизировать затраты на эксплуатацию двигателя переменного тока в условиях производства.
Прямой пуск, устройства плавного пуска или частотные преобразователи
Электромагнитный пускатель
Есть несколько способов запустить и управлять электродвигателем. В основном запуск двигателя происходит прямым пуском через электромагнитный пускатель. При таком подходе на двигатель подается полное напряжение, и он максимально быстро развивает номинальную скорость.
Проблема с которой сталкиваются операторы при прямом пуске заключается в том, что импульс пускового тока может в 7 раз превышать ток полной нагрузки двигателя. В течение очень короткого периода времени на двигатель и его элементы подается очень сильный импульс тока. Если мощный двигатель будет часто запускаться и останавливаться, то он быстрее износится и выйдет из строя, а также может вывести из строя исполнительный механизм работающий от него.
Устройство плавного пуска
Напротив, устройство плавного пуска сокращает пусковые токи до 2-4 крат, уменьшая нагрузку и крутящий момент, прилагаемый к двигателю. Такой подход позволяет двигателю разгоняться со скоростью, которая определяется настройкой самого устройства плавного пуска. Оператор может установить конкретное время разгона, и с момента запуска до назначенного времени двигатель будет плавно разгоняться. Такой подход позволяет снизить пусковой ток, снизить риск преждевременного выхода из строя оборудования и сэкономить немного электроэнергии. Устройства плавного пуска идеально подходят в тех случаях, где линейное изменение скорости и управление крутящим моментом являются критически важными компонентами, а также в системах трубопроводов, чтобы избежать гидроударов при пуске и останове насосов.
Частотный преобразователь
ЧРП продвигает эту концепцию на шаг вперед, позволяя оператору всегда контролировать пусковой ток и скорость вращения электродвигателя. ЧРП может управлять двигателем как во время цикла пуска/останова, так и в течение всего времени его работы. ЧРП необходим там, где требуется полный контроль скорости, а основной проблемой является повышенное потребление энергии.
По первоначальным вложениям средств устройство плавного пуска является менее дорогим вариантом, но экономический эффект от внедрения преобразователя частоты может в разы окупить его стоимость.
Основные функции преобразователя частоты
Управление расходом является одним из наиболее распространенных применений ЧРП. Реальные условия часто требуют пониженной скорости потока жидкости, поэтому возможность изменять скорость работы насоса для управления расходом имеет первостепенное значение. Для уменьшения потока в подавляющем большинстве случаев используются задвижки и клапаны, но эта стратегия не способствует энергосбережению. И наоборот, ЧРП может контролировать скорость потока, одновременно оптимизируя потребление электроэнергии.
Может возникнуть ситуация, когда оператору необходимо в определенное время дня запускать двигатель с максимальной производительностью, а в другое время работать на неполной нагрузке. Это и есть реальная причина популярности ЧРП, так как при работе на сниженных оборотах можно экономить электроэнергию и уменьшать эксплуатационные расходы. Если оператору необходимо просто запустить асинхронный двигатель с постоянной скоростью, которая меньше номинальной скорости двигателя, можно использовать редуктор. Однако, если исполнительный механизм представляет собой нагрузку с переменным крутящим моментом, то лучший вариант – это частотный преобразователь.
Например, представьте, что для запуска вентилятора на градирне используется асинхронный электродвигатель. Чем быстрее нужно вращаться вентилятору, тем он больше будет потреблять энергии. Из-за изменения условий внешней среды в течение дня температура окружающего воздуха может снизиться. Из-за этого, возможно, вентилятору достаточно работать на скорости, которая меньше, чем требовалось в жаркую часть дня. Вращаясь на полной скорости вентилятор тратит дорогостоящую энергию впустую в то время, как мог бы вращаться медленнее.
Дополнительные преимущества
Помимо функции энергосбережения большинство ЧРП позволяют оператору устанавливать различные параметры для ограничения крутящего момента. Это делается путем ограничения выходного тока на двигателе. Необходимо защитить все элементы приводного механизма, так как они имеют механические ограничения. Превышение этих ограничений из-за чрезмерного затягивания пуска может привести к серьезным повреждениям или дорогостоящей неисправности.
Большинство ЧРП чрезвычайно гибки в настройке и имеют встроенные входы и выходы (I/O). Эти входы/выходы могут использоваться для настройки различных функций, включая функции пуска/останова, изменения направления вращения, выбора постоянной скорости, регулировки скорости и т.д. Кроме того, аналоговые выходы ЧРП могут быть сконфигурированы для обеспечения обратной связи с системой управления предприятия, включая энергопотребление, фактическую скорость, частоту, крутящий момент и т.д. При изменении технологического процесса, например, при необходимости изменить скорость, система управления установкой сама может передать сигнал в соответствии с назначенной уставкой.
На сегодняшний день частотные преобразователи развились до такой степени, что для управления расходом многие из них могут быть совмещены с насосом или вентилятором прямо «из коробки», используя предопределенный макрос. В этом случае расходомер будет подключаться непосредственно к аналоговому входу привода. Оператор может задать желаемый поток дистанционно, и ЧРП будет поддерживать этот поток, выполняя внутренний цикл ПИД. Некоторые приводы позволяют оператору настраивать почасовые графики расхода, а также могут подключать дополнительные насосы по мере необходимости в режиме онлайн.
Встроенный вход/выход ЧРП – не единственный способ управления приводом. Многие из них позволяют использовать различные протоколы связи, которые могут управлять ЧРП с контроллеров большинства производителей. Все стандартные протоколы доступны для большинства ЧРП, что позволяет оператору иметь двунаправленную связь одним кабелем.
Почему это важно? Благодаря использованию одного кабеля, в отличие от прокладывания нескольких проводов, затраты на установку ЧРП сводятся к минимуму, и по этому кабелю может передаваться гораздо больший объем данных. Эти данные относятся не только к расширенному управлению, но и к мониторингу. Обычно операторы следят за скоростью, крутящим моментом, током и температурой привода.
Наконец, расходы на техническое обслуживание могут быть значительно снижены из-за уменьшения износа оборудования благодаря контролируемому пуску. Кроме того, в случаях, когда применение ЧРП устраняет необходимость в использовании заслонок и клапанов, затраты на техническое обслуживание этих элементов системы также могут быть исключены.
Частотные преобразователи продолжают набирать популярность в разных отраслях промышленности по мере роста преимуществ их внедрения, большинство из которых так или иначе связаны с уменьшением затрат и экономией электроэнергии.
Что такое преобразователь частоты и для чего он нужен?
Для регулирования работы асинхронного двигателя с целью не допустить снижения его КПД применяют специальные устройства – частотные преобразователи. Их работа заключается в том, что они плавно изменяют скорость вращения двигателя, с помощью смены частоты питающего напряжения.
В данной статье мы постараемся рассмотреть ряд незаметных, на первый взгляд, особенностей в работе асинхронного электродвигателя и проанализируем, насколько важно в ходе его эксплуатации использовать частотный преобразователь.
Что может привести к неисправности?
Частотный преобразователь имеет к этому важное отношение – он контролирует ток электродвигателя. Формируя необходимое напряжение нужной амплитуды и частоты, частотник подает их на двигатель. Поясним – в процессе его запуска преобразователь отдает не полную частоту, скажем, в 50 Герц, а где-то 0,1Гц (или чуть больше). То же самое и с напряжением – не все 220 В или 380 В, а около 20-30 (смотря, какие выставлены настройки).
Принцип работы преобразователя частоты для электродвигателя
Все это позволяет пропускать через обмотку статора ток оптимального значения, не выше номинального показателя, чтобы создать магнитное поле, которое, в свою очередь, вместе с созданным в обмотке током создаст крутящий момент. Что касается принципов изменения характеристик напряжения, то подробно об этом, а также о критериях выбора частотника, вы можете прочесть здесь, в одной из других наших статей. Кстати, если говорить о критериях выбора, то отметим также, что выходные токи преобразователя частоты должны быть ниже тока полного режима нагрузки.
Выше мы описывали старт двигателя. Что касается разгона, то в ходе этого процесса преобразователь плавно повышает частоту и величину поступаемого напряжения, тем самым разгоняя двигатель. Главное – настроить частотник таким образом, чтобы времени на разгон уходило как можно меньше, а ток обмотки статора не был выше её номинального значения. Кроме того, важно поддерживать достаточный крутящий момент на валу.
Почему без преобразователя не обойтись? Главные преимущества его использования
Итак, преобразователь частоты дает следующие преимущества при управлении асинхронным двигателем:
Самые важные – это 1 и 2 пункты. Почему именно они?
Плавный пуск позволяет наращивать скорость постепенно, что позволяет не допустить скачков тока. Неконтролируемые скачки опасны, так как при прямом пуске они превышают номинальные показатели в 5-7 раз, что может спровоцировать высокую нагрузку на электросеть, защитит оборудование от перегрузок и сэкономит деньги на затратах электроэнергии.
Что касается управления производительностью, то в этом случае преобразователь частоты контролирует скорость работы электродвигателя с учетом «реальных нужд» в системе в целом. Это также помогает напрасно не тратить энергию и гарантирует её экономию в 30-60%.
Помимо 4-х основных преимуществ описанных выше, использование преобразователя обеспечивает следующие преимущества:
Классификация частотных преобразователей
В первую очередь, данные устройства различаются по режимам работы:
Также данные устройства бывают с промежуточным звеном (связью) и без него. О характере работы таких устройств читайте тут, в ещё одной нашей статье.
Настройка
Настройка преобразователей выполняется строго по инструкции производителя и с учетом особенностей задачи, которая решается посредством оборудования, в котором установлен двигатель.
Например, если применяется асинхронный двигатель скалярного типа, то амплитуду сигнала и выходную частоту устанавливают по определенной формуле. Для других видов двигателя обычно используют датчики скорости вращения вала двигателя. Последовательность этапов алгоритма настройки мы перечислили здесь, в другом нашем материале.
Можно ли отказаться от частотных преобразователей?
Можно. Но лучше этого не делать. Безусловно, скорость вращения можно также регулировать и при помощи гидравлической муфты или механического вариатора и других. Но данные приспособления неэкономичны (а в промышленности это крайне важно!), у них узкий диапазон регулирования, что доставляет серьезные неудобства в ходе эксплуатации, а также они гораздо быстрее выйдут из строя.
Итоги: почему нужно использовать преобразователи частоты?
Вот основной перечень преимуществ для работы оборудования, которые вы получаете, используя преобразователи:
Итак, это наиболее важная информация о частотных преобразователях, которую мы хотели до вас донести. В завершение скажем о том, от чего зависит стоимость и на что стоит обращать внимание при выборе. Это такие факторы, как марка производителя, модель и тип управления преобразователем. Также стоит обращать внимание при выборе на тип и уровень мощности двигателя, его диапазон и точность, а также степень точности поддержки крутящего момента.
Зачем нужен преобразователь частоты?
Что такое преобразователь частоты?
Преобразователь частоты — это устройство преобразования энергии. Преобразователь частоты преобразует переменный ток с фиксированной частотой и фиксированным напряжением в энергию с переменной частотой и переменным напряжением, используемую для управления скоростью вращения асинхронных двигателей.
Зачем использовать преобразователь частоты?
Преимущества частотных преобразователей
В дополнение к энергосбережению и лучшему управлению процессом, они могут обеспечить другие преимущества:
• Преобразователь частоты может использоваться для контроля температуры процесса, давления или расхода без использования отдельного контроллера. Подходящие датчики и электроника используются для сопряжения приводимого оборудования с преобразователем частоты.
• Расходы на техническое обслуживание могут быть снижены, поскольку более низкие рабочие скорости приводят к увеличению срока службы подшипников и двигателей.
• Устранение дроссельных клапанов и демпферов также отменяет обслуживание этих устройств и всех связанных с ними средств управления.
• Устройство плавного пуска двигателя больше не требуется.
• Контролируемая скорость разгона в жидкостной системе может устранить проблемы гидравлического удара.
• Способность преобразователя частоты ограничивать крутящий момент до выбранного пользователем уровня может защитить приводное оборудование, которое не может выдерживать чрезмерный крутящий момент.
Анализ системы в целом
Поскольку процесс преобразования входящей мощности с одной частоты на другую приведет к некоторым потерям, экономия энергии всегда должна обеспечиваться за счет оптимизации производительности всей системы. Первым шагом в определении потенциала энергосбережения системы является тщательный анализ работы всей системы. Для обеспечения экономии энергии необходимы подробные знания о работе оборудования и требованиях к процессу. Кроме того, следует учитывать тип преобразователя частоты, предлагаемые функции и общую пригодность для применения.
Внутренняя конфигурация преобразователя частоты
Преобразователи частоты содержат три основных раздела:
Частотные преобразователи Danfoss также содержат мощный микропроцессор, который управляет схемой инвертора для получения почти чистого синусоидального напряжения переменной частоты, подаваемого на нагрузку. Микропроцессор также управляет конфигурациями ввода / вывода, настройками преобразователя частоты, состояниями неисправности и протоколами связи.