Что такое частотный преобразователь

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ – ЧТО ЭТО ТАКОЕ?

- Как классифицируются частотные преобразователи;
- Как конструктивно устроены частотные преобразователи;
- Принцип действия и функциональное назначение частотных преобразователей;
- Ключевые принципы управления преобразователями частоты;
- Область применения частотных преобразователей;
- Подключение частотных преобразователей к электродвигателю и настройка;
- Рекомендации по подбору частотных преобразователей;
- Заключение.

B фундаментальной справочной литературе преобразователь частоты (иначе «преобразователь», иначе «инвертор», иначе «частотник») определяется как прибор, изменяющий частоту тока с целью изменения количества оборотов электродвигателя. За этим ясным и простым на первый взгляд определением скрывается ряд критично важных особенностей, которые необходимо рассмотреть более подробно.

Как классифицируются частотные преобразователи.

Классифицировать частотные преобразователи следует по нескольким основным параметрам:

• питающее напряжение;
• вид электродвигателя, работающего совместно с «инвертором»;
• область использования.

B зависимости от потребляемого напряжения «частотники» разделяются на однофазные, трёхфазные и высоковольтные. B настоящее время наибольшее распространение в промышленности, ЖКХ и прочих областях получили одно- (220В) и трёх- (380В) фазные. При этом не следует забывать, что и преобразователь, и электродвигатель работают совместно с одинаковыми параметрами питающей сети.

Электродвигатели, работающие с частотным преобразователем, могут быть самых различных видов. Например, одно- и трёхфазными, с применением постоянных магнитов и многими другими. Трёхфазные асинхронные двигатели получили наибольшее распространение, благодаря некоторым своим удачным конструктивным особенностям. Поэтому применение преобразователей частоты именно для этого типа двигателей становится наиболее актуальным.

Разделение частотных преобразователей также проводится, исходя из возможности управления и сфер применения: общепромышленные, векторные, скалярные (вольт-частотные), «инверторы» специального исполнения (взрывозащищенные) и децентрализованные (подобные приборы отличаются некоторыми особенностями установки).

Как конструктивно устроены частотные преобразователи.

«Инвертор» позволяет выполнить преобразование напряжения в трёхфазную переменную величину по заданным параметрам (частоте и амплитуде), которая в дальнейшем поступает на обмотки эл/двигателя. Такой процесс обеспечивают шесть точек транзисторов, через каждую из которых подключена обмотка двигателя к положительным либо отрицательным полюсам выпрямителя. Этот модуль определяется как силовая импульсная часть «частотника». Вся система управления также действует только на этом этапе преобразования. Фильтр напряжения и выпрямитель без возможности управления относятся к группе постоянного тока. Можно сделать вывод, что преобразователь частоты конструктивно построен как устройство «двойного преобразования» с условно ограниченными возможностями управления.

РИС.1. Принципиальная схема частотного преобразователя.

Пуск эл/дв. происходит без участия магнитного пускателя, a сам преобразователь подключается через различные системы защиты и автоматической блокировки. Например, при возникновении КЗ. Важную роль в обеспечении стабильности работы играет модуль управления на базе микроконтроллера. Блок управления также контролирует соблюдение расчётных выходных параметров всего устройства.

Выпрямитель.

Конструктивные отличия выпрямителя зависят от схемы использования. При однофазном варианте в выпрямителе применяются четыре диода, ну a в трёхфазном – шесть. Как уже становится понятно из названия, физический смысл выпрямителя – преобразовать первичный переменный ток в постоянный посредством диодных мостов. B дальнейшем ток, получивший два полюса («+» и «-») поступает на следующий модуль: фильтр напряжения.

РИС.2. Фото выпрямителя.

Фильтр напряжения.

Здесь придется вспомнить курс физики из средней школы, a именно «Закон Кирхгофа». Общая идея состоит в том, что при переходе переменного тока в постоянный не должно остаться никаких колебаний и они должны каким-то образом гаситься. Эта проблема решается с использованием классического колебательного контура: конденсатора и катушки индуктивности.

РИС.3. Блок электролитических конденсаторов для фильтрации напряжения.

Катушка, обладая значительным сопротивлением, как бы «сбивает» остаточные импульсы переменного тока, a конденсатор, напротив, условно не имеет сопротивления и через себя пропускает весь поток. По факту получается «обнуление» параметров и на выходе мы получаем чистый постоянный ток без пульсаций. Вот так всё просто и изящно!

Инверторный модуль.

Инверторный модуль относится ко второй степени преобразования и основан на применении каскадов из транзисторов. Классические, знакомые каждому, германиевые и кремниевые транзисторы от старой советской техники здесь никак не подойдут. B таких сложных устройствах, как преобразователи частоты, используются только современные транзисторы.

РИС.4. Модуль транзисторов IGBT.

Например, IGBT. По своей сути они являются неким гибридом полевого и биполярного транзистора. Применение такого типа деталей обеспечивает стабильность работы прибора, облегчает решение проблемы снятия теплоизбытков и глобально повышает эффективность использования устройства.

Микропроцессорная система.

По своей сути – это «мозг» всего устройства, сконструированный на базе микросхем, которые обеспечивают прием-передачу сигналов и анализ результатов работы всего процесса преобразования частоты. Принцип анализа основан на сравнении с эталонными параметрами, которые изначально прописаны в программных настройках. Все функции управления «частотником» происходят так же через микропроцессор, поэтому этот узел является ключевым по важности и нуждается в особой защите (воздействия окружающей среды, случайные механические повреждения и т.п.)

РИС.5. Микропроцессорный блок управления.

Принцип действия и функциональное назначение частотных преобразователей.

К самым важным функциям преобразователя частоты относятся: обеспечение запуска двигателя, защита двигателя от повышенных пусковых токов, оптимизация работы двигателя за счет плавного набора и сброса мощности и стабилизация работы двигателя в номинальном режиме.

Как мы уже говорили выше, «частотник» способен обеспечить запуск двигателя без использования магнитного пускателя, a, что касается пусковых токов, то в паспорте на любое оборудование эти параметры прописаны и цифры эти выглядят, поистине, устрашающе. Например, для вентиляционной установки относительно небольшой мощности пусковой ток превышает номинальный в восемь-десять раз! Учитывая высокую периодичность включения и выключения агрегата, не будет ничего удивительного, если буквально через месяц потребуется полная физическая замена всех электродвигателей вентиляторов. Вот простой пример, для чего необходима установка «инвертора».

С насосным оборудованием дела обстоят ещё хуже. Жидкая среда (особенно в совокупности с «сухим ходом») по своим физическим свойствам способна нанести непоправимый вред не только механическим узлам насоса, но и привести к нештатным скачкам мощности на электродвигателе, что легко может повлечь полный выход привода из строя.

Примитивное решение в виде установки конденсаторов никак не исправит последствий скачков мощности. Во-первых, конденсаторы необходимы весьма значительной ёмкости, что уже становится проблемой. Во-вторых, применение конденсаторов на пуске всё равно не «съедает» завышенный пусковой ток окончательно, a «съедает» только полезную мощность двигателя.

B этом смысле «инвертор» становится универсальным решением целого ряда проблем, благодаря принципу работы на основе «двойного преобразования». Этот принцип мы уже озвучивали в предыдущем разделе. Следует только добавить, что физический смыл работы «инвертора» состоит в плавной подаче потребляемого тока на двигатель и такого же плавного понижения мощности. Эти процессы напрямую зависят от способов управления, которые рассмотрим в следующем разделе.

Ключевые принципы управления преобразователями частоты.

Управление преобразователями частоты и, как следствие, электродвигателями осуществляется двумя способами.

Скалярное (иначе называемое вольт-частотное) управление определяется по линейному закону, при котором выходные параметры находятся в пропорциональной зависимости. Изменение частоты коррелирует с амплитудой напряжения, что влияет на угловую скорость вала, значение крутящего момента, коэффициент полезного действия и мощность агрегата. Необходимо принять во внимание зависимость между величинами частоты, напряжения и момента нагрузки на валу. Для обеспечения равномерности момента нагрузки отношение амплитуды напряжения к выходной частоте должно быть постоянным. Данное равенство обеспечивает частотный преобразователь.

Векторное управление сохраняет нагрузку в постоянном виде. Увеличивается точность управления, привод более плавно справляется с изменениями нагрузки. В итоге момент вращения двигателя находится под прямым управлением «частотника». При условии векторного управления происходит изменение фазы тока (так называемый «вектор»). B этом и заключён смысл векторного управления: в изменении фазы.

Область применения частотных преобразователей.

С целью увеличения срока службы электродвигателей, оптимизации режимов работы оборудования и снижению затрат энергии рекомендуется использовать преобразователи частоты («частотники»). Значительное распространение применение этих приборов получило в совместном использовании с синхронными и асинхронными электродвигателями.

«Частотники» можно встретить почти во всех отраслях промышленности и иных сферах хозяйственной деятельности.

РИС.6. Область применение частотных преобразователей.

Пищевая промышленность, тяжелая промышленность, легкая промышленность, медицинская техника, объекты малой механизации, насосы и вентиляторы, компрессоры, обрабатывающая промышленность, различные виды транспорта.

И это только малый перечень направлений деятельности человека, где успешно эксплуатируются частотные преобразователи.

Подключение частотных преобразователей к электродвигателю и настройка.

Подключение частотных преобразователей к электродвигателям и их настройка проводится специально обученным персоналом, но на некоторых базовых принципах допустимо остановиться в формате данной публикации.

Изначально в сеть перед подключаемым прибором устанавливается автомат отключения. Это мероприятие проводится для аварийного отключения при возможном возникновении КЗ в сети. При этом следует учитывать фазность питающей сети и соответствие автомата номинальному току. Характеристики тока срабатывания и тока фазы эл/двигателя должны совпадать. Для однофазной сети применяется однополюсный автомат с троекратным запасом по току. Автоматы всегда подключаются напрямую, a не в разрыв.

Эти правила кажутся примитивно простыми и недостойными отдельного упоминания, но, возможно, именно поэтому o них часто забывают, что может привести к печальным последствиям.

Далее на «шильдике» электродвигателя находим значения рабочих напряжений и сравниваем их с напряжением «частотника». При совпадении с меньшим значением обмотки двигателя соединяем по типу «звезда». Соответственно, при больших значениях – по типу «треугольник». После этого соединяем фазные провода «частотника» и двигателя.

Далее проводим подключение микроконтроллера и пульта по блок-схеме и инструкциям, предоставленным производителем оборудования. Здесь сложного совсем нет ничего. Необходимо только, как всегда, внимательно читать сопроводительную документацию и следить за техникой безопасности. Рукоять ставим на «нейтраль» и после этого включаем автомат. Если на пульте загорелся глазок, то всё прошло успешно. Запуск «инвертора» идет через команду «RUN» («Бег»).

Тестируем запуск двигателя, проверяем работу прямого и реверсивного хода, затем выбираем нужную нам частоту вращения. Как видите, при наличии внимания и минимальной производственной дисциплины сложного нет вообще ничего!

Вместе с тем преобразователи частоты с различным количеством вводов и уровнем мощности могут отличаться некоторыми особенностями настройки, которые потребуют применения специальных знаний и провести настройку просто «по инструкции» не получится. B этом случае придется обращаться к специалистам, обладающим большим опытом по монтажу и пуско-наладке конкретного типа оборудования.

Рекомендации по подбору частотных преобразователей.

Подбор «преобразователя частоты» происходит по двум главным параметрам: ток и мощность. Запас на перегрузку должен быть примерно 10% для нивелирования возможных ударных нагрузок в пиковых режимах эксплуатации.

Важным фактором для выбора является количество вводов. Это определяется по проекту или по технологической карте. Нет необходимости заказывать «инвертор» с лишним количеством вводов, которые в обозримом будущем не будут задействованы, т.к. это сказывается на базовой стоимости изделия и может вызвать некоторые трудности и дополнительные расходы, связанные с подключением и пуско-наладкой.

По типу управления однозначно рекомендуется векторное управление, как более точное, однако при этом стоимость «инвертора» также несколько увеличивается. Здесь нужно рассматривать каждый случай индивидуально. Возможно, что более целесообразным станет применение как раз скалярного управления, как более простой и дешёвый вариант.

Обязательно нужно обратить внимание на напряжение «частотника» и сравнить его с напряжением в сети. При пониженном напряжении «частотник» будет отключаться, a при повышенном в течение длительного времени прибор может не справляться с поставленными задачами, a в дальнейшем выйти из строя. B случае возникновения сомнений по этому вопросу, лучше выбрать прибор с более широким диапазоном используемого напряжения. Такая возможность присутствует, модельный ряд частотных преобразователей весьма широкий.

Также понятно, что мощность преобразователя не должна быть ниже заявленной паспортной мощности обслуживаемой установки.

Заключение.

Подводя общий итог всему вышеизложенному, можно сказать, что частотный преобразователь представляет собой достаточно сложный прибор, помогающий решить целый спектр важных технологических задач. Поэтому важность правильного расчета и подбора такого типа оборудования сложно переоценить и лучше поручить это сделать профессионалам. Принимая во внимание относительно высокую стоимость таких устройств, уже в процессе эксплуатации следует уделять им повышенное внимание как с позиции продления общего срока службы прибора, так и с целью предотвращения хищений. Это явление получило широкое распространение на объектах производства и строительства по причине небольших габаритов, значительной ценности и общей универсальности применения преобразователей частоты.

Ну и главное: более низкая стоимость изделия всегда сопряжена с более низкими функциональными возможностями. Специалисты компании-поставщика всегда смогут помочь найти «золотую середину» между капитальными затратами и планируемым экономическим эффектом от использования того или иного типа оборудования.

Заказать мотор-редукторы можно тут