Преобразователи частоты

ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ: ЧТО ЭТО ТАКОЕ?

- Общее описание частотного преобразователя (частотника);
- Виды преобразователей частоты и область их применения;
- Основные функции и некоторые конструктивные особенности преобразователей частоты;
- Базовые принципы управления преобразователями частоты;
- Монтаж и настройка частотников;
- Техническое обслуживание и ремонт преобразователей частоты;
- Заключение.

Общее описание частотного преобразователя (частотника).

Преобразователь частоты (или иначе «частотный преобразователь») используется совместно с электродвигателем с целью регулировки частоты вращения и крутящего момента вала двигателя. Этот процесс происходит непрерывно на работающем двигателе и реализуется за счет изменения частоты переменного тока, подаваемого на обмотки статора, в зависимости от заданных настроечных параметров.

ФОТО 1. Внешний вид частотного преобразователя.

B настоящее время электродвигатель (электропривод) является неотъемлемым элементом практически в при любом технологическом процессе. Будь то подъемное оборудование, системы конвейерной транспортировки, насосные и вентиляционные агрегаты, огромное количество станков, задействованных в обрабатывающей промышленности и сельском хозяйстве, a также многое другое.

B свою очередь преобразователь частоты является средством управления электроприводов всех многочисленных узлов, что обеспечивает соблюдение требуемого режима работы эл/двигателей и, как итоговое следствие, продление безаварийного срока службы всех агрегатов. Немаловажное значение приобретает возможность значительной экономии электроэнергии при использовании преобразователя частоты (до 50%).

Частотники (равно, как и электродвигатели) выпускаются различной мощность и рассчитаны на работу с различным питающим напряжением. Ниже рассмотрим некоторые виды частотных преобразователей.

Виды преобразователей частоты и область их применения.

Отдельно необходимо выделить целесообразность применения частотников при совместной работе с насосным и вентиляционным оборудованием. Как правило, такие устройства работают не циклично, a в непрерывном режиме. При этом обилие механических деталей, высокая стоимость оборудования и общая агрессивность перемещаемой среды обозначает задачу снижения степени износа и выбора оптимального рабочего режима, как задачу повышенной значимости.

Использование преобразователя частоты позволяет плавно изменить частоту вращения рабочих колес и такой же плавный переход с одного режима работы на другой. Ночной/дневной режим и т.п. Это помогает избежать гидроудары и снижает негативное воздействие механических примесей, которые содержатся в жидкостной среде, на лопатки насоса.

Насосы и вентиляторы производятся различной мощности и используют питающее напряжение как однофазное (220В), так и трехфазное (380В). B соответствии с этим и тип частотника подбирается однофазным, трехфазным либо высоковольтным.

Если говорить o современной электротехнике в целом, то применение агрегатов на базе асинхронных двигателей получило наибольшее распространение. При совместной эксплуатации таких двигателей с преобразователем частоты удаётся нивелировать целый ряд негативных моментов. Например, добиться снижения завышенного пускового тока почти на 75-80%! Также обеспечивается плавное вращение вала, что всегда намного лучше, чем пошаговое регулирование скорости.

Однако, не следует забывать, что и сам частотник может быть подвержен отрицательным воздействиям внешней среды (температуры, влажности, запылённости и прочее). Поэтому при заказе преобразователя лучше сразу эти возможные факторы учесть и выбрать дополнительные опции. Ну и, конечно, выбрать правильное место для монтажа изделия.

Основные функции и некоторые конструктивные особенности преобразователей частоты.

Современные частотные преобразователи выпускаются серийно с очень широким модельным рядом и в различных исполнениях, что значительно облегчает их применение в сочетании с любыми электродвигателями и позволяет решать весьма широкий спектр технологических задач.

Сразу следует остановиться на такой важной способности частотника, как возможность работы в режиме торможения электродвигателя.

Для устройств, к свойствам которых относится высокая инерция, при отключении двигателя от питающей сети процесс снижения оборотов занимает продолжительное время и может не подойти в целом для некоторых технологических процессов. Частотник обеспечивает торможение плавно, но за короткое время. Выделяют несколько возможных вариантов торможения с использованием частотного преобразователя.

• рекуперативный, т.е. с возвратом электроэнергии в сеть;
• с использованием резисторов и тормозного прерывателя;
• через подачу напряжения пониженной частоты (при этом кинетическая энергия переходит в тепловую и отводится специальными радиаторами).

РИС.2. Схемы подключения электродвигателя при различных режимах торможения.

Выбор той или иной схемы происходит индивидуально и основывается на сравнении различных факторов: необходимых дополнительных капитальных затрат, общей экономической выгоды от экономии электроэнергии, вида технологического процесса. И, конечно, мощности электродвигателя.

К важной особенности частотного преобразователя также следует отнести возможность работы при нестабильном напряжении.

Физический смысл такого процесса заключается в автоматическом перезапуске электродвигателя при изменении (просадке или отключении) питающего сетевого напряжения. При этом частота и крутящий момент вала изменяются плавно, без рывков, что снижает нагрузку на конструктивные элементы двигателя и повышает срок службы устройства в целом.

Иногда появляются вопросы от потребителей по поводу возникновения резонансных частот, которые влияют на способность управления. Здесь необходимо предметно каждый конкретный случай рассматривать, но глобально можно сказать следующее: «Да, эта проблема давно известна и весьма успешно решается!».

Чуть выше, мы уже обозначали такие важные параметры, как мощность подключаемого устройства (электродвигателя) и номинальные параметры сетевого напряжения. Эти данные являются определяющими в правильном выборе частотника. Всегда следует выбирать преобразователь по максимальной «вилке» возможного перепада напряжения в питающей сети и предполагаемой (проектной) максимальной мощности управляемого агрегата.

B классическом варианте отклонения от проектных параметров, не превышающие 10-12%, происходят достаточно часто. При этом частотники справляются со своими задачами. Опять же значения максимальных пусковых токов всегда прописаны в характеристиках подключаемых устройств, поэтому здесь также серьёзных проблем не должно возникнуть.

Таким образом потребитель силами службы главного энергетика вполне в состоянии самостоятельно подобрать, подключить и даже провести настройку частотного преобразователя. B частных случаях, если есть сомнения или присутствует некий недостаток технической документации на подключаемые устройства, лучше не приобретать частотник «наугад» или «примерно-приблизительно», a обратиться за помощью к профессионалам компании-поставщика.

Возможны некоторые дополнительные вопросы, связанные с перегревом двигателя в зависимости от глубины регулирования. Такая проблема может возникать при разнонаправленности режимов работы за короткий промежуток времени. Функция защиты от перегрева достаточно часто применяется в базовом заводском исполнении эл/двигателей, но если её нет, то необходимо пересмотреть технологические карты производства и провести дополнительный инструктаж персонала по регламентам эксплуатации оборудования.

Говоря o современных технологиях эксплуатации управляющего оборудования, обязательно следует отметить возможность подключения преобразователя частоты к системам телеметрии и телемеханики. Обмен данными происходит как через стандартные протоколы связи, так и через стандартные проводные интерфейсы, например, RS-485.

Важность подключения телемеханики обусловлена тем, что дежурный персонал видит на мнемосхеме всю общую картину работы оборудования. При отклонениях в работе относительно расчетных параметров, есть возможность провести оперативную корректировку в ручном режиме без срабатывания средств автоматики и аварийной остановки всего производственного цикла.

Определив все преимущества и ряд недостатков частотников, именно сейчас следует обозначить конструктивное устройство этого типа приборов.

РИС. 3. Принципиальная электрическая схема частотного преобразователя.

Как видно из Рис. 3, преобразователь частоты устроен достаточно просто и даже несколько примитивно, но это только на первый взгляд! B реальности блок транзисторов комплектуется не из обычных полевых транзисторов, a из современных и весьма дорогостоящих. Кроме этого использование микроконтроллера позволяет задать как преднастройки (до 15 вариантов), так и использовать ручной настроечный режим. Да и сам корпус изделия выполнен с учетом некоторых особенностей эксплуатации: присутствует повышенная защита от случайных механических воздействий и отвод тепла от транзисторного модуля. Способы управления как раз обсудим ниже.

Базовые принципы управления преобразователями частоты.

Исходный управляющий импульс может привести как к плавному изменению частоты вращения вала, так и к ступенчатому изменению угловой скорости в зависимости от текущих требований режима работы двигателя. Частотник успешно справляется с обоими этими задачами.

Помимо этого, реализация управления возможна как напрямую с пульта управления, так и дистанционно с использованием определенных протоколов передачи данных. Также допустимо подключение программируемого модуля, который осуществляет управление в автоматическом режиме, исходя из фактически полученных параметров. Последний вариант удобен тем, что появляется возможность единовременного контроля и управления сразу группой из множества устройств при минимальном общем контроле со стороны оператора. B случае необходимости производится перенастройка системных модулей и вся группа устройств может также автоматически продолжать работу, но уже в другом режиме.

Общая структура взаимодействия преобразователя частоты и электродвигателя обычно базируется на двух принципах управления: векторном и скалярном.

При применении векторного управления значительно повышается точность параметров частоты вращения и значения крутящего момента, в том числе при частоте вращения вала двигателя, близкой к минимальным, околонулевым значениям. Это делает обоснованным использование такого способа управления в технологиях, связанных с повышенной точностью производимых изделий, станках с применением ЧПУ и т.п.

B свою очередь, важным плюсом скалярного управления является способность применять более значительную глубину регулирования. Отношение частоты вращения при регулировании 1/40 для скалярного типа управления – вполне обычное явление. Кроме этого скалярное управление обычно используется при необходимости одновременного подключения и управления группы механизмов. Это достигается за счет выполнения принципа постоянного отношения напряжения частотника на выходе и выходной частоты.

Современные преобразователи частоты, предлагаемые сегодня на рынке, не ограничиваются возможностью узкой реализации какой-либо одной задачи. Набор опций и исполнений достаточно широк и позволит удовлетворить самые сложные запросы потребителя. Необходимо учитывать этот момент при подборе оборудования, т.к. наличие некоторых опций, которые, возможно, никогда в процессе эксплуатации и задействованы-то не будут, повлекут увеличение стоимости устройства.

Завершая краткий обзор способов управления частотником, следует добавить, что к режимам управления можно также отнести и встроенные функции защиты, a именно: ограничение пускового тока, защита от КЗ, защита от критических перепадов напряжения, защита радиатора от перегрева, контроль температуры двигателя, защита транзисторного модуля и ряд других.

Различные текущие параметры при работе прибора отображаются на цифровом дисплее. B зависимости от модели частотника дисплей может быть так же разным по своему типу, но всегда отображает ключевые параметры, по которым можно оценить правильность работы устройства. Например, рабочие режимы (работа, авария, торможение), значение тока нагрузки, обороты двигателя, частота и напряжение питающей сети и другое. При использовании модели преобразователя без ж/к дисплея есть возможность вывести текущие показатели на дополнительное внешнее устройство.

Монтаж и настройка частотников.

Общие принципы монтажа частотного преобразователя сводятся к соблюдению требований таких правоустанавливающих документов как СНиП (СП), ПУЭ, нормативов по охране труда, a также специальных «Руководств по монтажу», выпущенных производителями оборудования.

B общем случае рекомендуется устанавливать частотник в выделенный шкаф управления совместно с автоматами аварийного отключения и иными электротехническими средствами. Шкаф должен быть защищен от воздействий внешней среды, закрываться на замок, но вместе с тем располагаться в месте, легко доступном для обслуживающего персонала предприятия, ответственного за электрическое хозяйство.

Все эти действия проводятся с целью сбережения дорогостоящего оборудования, его защиты от механических повреждений, нежелательных воздействий температуры, влажности, вибраций, a также для предотвращения хищений и вандализма.

На выбор места монтажа также могут повлиять габариты устройства, возможность обеспечения снятия тепла при охлаждении радиаторов, возможность подключения силовых кабелей и множество других индивидуальных факторов. Например, высота размещения частотника не рекомендуется свыше 1000 метров над уровнем моря. Или для осуществления вентиляции зазоры между корпусами устройств должны быть от 100 до 225 мм в зависимости от мощности. Всё это кажется очевидными мелочами, но для нормальной работы устройства ими никак нельзя пренебрегать.

Монтаж электрической части сводится по большому счету только в правильном расключении выходов частотника и обмоток электродвигателя. Нет смысла приводить в формате этой публикации все возможные варианты подключения. Все эти схемы есть в сопроводительной документации на оборудование. Естественно, что такие виды работ должны проводить только квалифицированные специалисты с наличием соответствующих допусков.

Раздельные кабель-каналы должны использоваться для входных силовых кабелей, выходных силовых кабелей и кабелей управления. Не следует забывать, что при монтаже в первую очередь подключается провод заземления, каждый привод должен быть заземлен индивидуально, a нейтраль использовать в качестве заземляющего провода запрещается!

При проведении настройки преобразователя частоты сначала нужно уточнить, есть ли в смонтированной модели автоматическая настройка. Суть автоматической настройки состоит в возможности считывания параметров с обмоток двигателя как до пуска, так и уже на запущенном двигателе. Такой режим получил название «Идентификационный пуск». Во многих современных преобразователях такая функция присутствует.

При ручной настройке частотника необходимо ввести все требуемые технические параметры, исходя из базовых требований программы микроконтроллера. Повторная настройка преобразователя частоты также проводится после проведения капитального ремонта либо замены электродвигателя.

Как правило, программное обеспечение почти всех частотников уже адаптировано под серийно производимые электродвигатели, но в некоторых случаях может потребоваться корректировка изначально установленного ПО или даже его замена. Так называемая «перепрошивка» микроконтроллера. Страшного в этом ничего нет, различные версии программного обеспечения находятся в свободном доступе на ресурсах компаний-поставщиков, все процессы программирования также пошагово прописаны в инструкциях, но всё-таки лучше, чтобы эти работы проводил аттестованный специалист в области автоматизации.

Подобные мероприятия проводятся перед пуском двигателя. Следующим шагом остаётся только пуско-наладка всего комплекса оборудования, обкатка (обычно в течение 72-x часов) и настройка правильности работы протокола обмена данными (в случае, если таковой используется).

Техническое обслуживание и ремонт преобразователей частоты.

Регламенты технического обслуживания преобразователей частоты ничем принципиально не отличаются от проведения техобслуживания любого другого оборудования и сводятся к ежедневному, ежемесячному и ежегодному ТО.

Ежедневное ТО по большей части заключается во внешнем осмотре изделия, проверке правильности текущих параметров и протирке пыли.

При ежемесячном ТО проводится проверка всех клеммных соединений на предмет образования окислений, проверяется целостность изоляции, проводится ревизия системы охлаждения и тестируется система аварийной остановки привода.

Ежегодное техническое обслуживание включает в себя несколько более широкий диапазон мероприятий и заключается в детальной оценке всех параметров работы системы «частотник-электродвигатель», системы охлаждения и правильности работы программного обеспечения.

Для преобразователей высокой мощности примерно раз в 3-5 лет рекомендуется проводить техническое обслуживание со вскрытием корпуса для дополнительной очистки от загрязнений и замены термопасты.

B случае с возникновением необходимости ремонта всё совсем просто: провести качественный ремонт частотника своими силами Вам вряд ли удастся. Любой ремонт такого типа приборов необходимо проводить только в специализированных сервисных центрах. Нужно только отметить, что преобразователи небольшой мощности в принципе сложно поддаются ремонту из-за некоторых конструктивных особенностей. B этом случае будет более рациональной замена частотника на новый.

Заключение.

Преобразователь частоты является достаточно сложным устройством, применение которого позволяет решать широкий спектр технологических задач. Учитывая относительно высокую стоимость изделия, корректный подбор и настройку частотника рекомендуется доверить специалистам компании-поставщика оборудования. Такой подход сразу позволит решить целый ряд проблем. Фактически, от потребителя потребуется только соблюдать все регламенты по правильным условиям эксплуатации частотников и своевременному проведению технического обслуживания. При отсутствии на объекте потребителя штатной службы главного энергетика, целесообразным будет заключение договора подряда со сторонней специализированной организацией для проведения регламентных работ по ТО и ремонту всего оборудования электрохозяйства предприятия, в т.ч. и преобразователей частоты.

Преобразователи частоты PROSTAR

Устройства данной серии обеспечивают плавные циклы пуска и останова электродвигателей, за счет чего существенно увеличивается их срок службы и снижается частота необходимости обслуживания. Применяются преобразователи частоты PROSTAR в различных насосных установках, центрифугах всех типов, в крановом оборудовании и др.

Преобразователи частоты SIEMENS

Преобразователи частоты SIEMENS – это рациональное и рентабельное сочетание таких качеств, как высокая функциональность, соответствие международным нормам/стандартам, а также простота ввода в эксплуатацию и дальнейшего обслуживания. Высокие динамические показатели преобразователей позволяют применять их в различных сферах промышленности, начиная от децентрализованной периферии, и заканчивая насосными станциями.

Аксессуары

Все приспособления и устройства, относящиеся к данной категории оборудования, характеризуются различными техническими назначениями. Так, сетевые дроссели существенно повышают показатели надежности частотного преобразователя, примерно, в 7-9 раз, а тормозные модули гасят выделяющуюся энергию устройства при активации режима торможения.