Преобразователи частоты (ПЧ) предназначены для регулирования скорости или момента электродвигателя в широком диапазоне и с максимальным КПД.
Преобразователь частоты обеспечивает полную защиту двигателя: от короткого замыкания на землю и между фазами,
тепловую защиту от перегрузки по току и моменту.
Преобразователь частоты измеряет, регистрирует, отображает и передаёт по сети АСУ ТП параметры двигателя: ток, скорость, момент, мощность,
напряжение, температуру, потреблённую электроэнергию
Частотный преобразователь обеспечивает:
высокий пусковой момент при низком пусковом токе и низких оборотах двигателя (за счёт эффективного управления электромагнитным полем)
высокий перегрузочный момент двигателя
длительный плавный разгон или останов двигателя с высокоинерционной нагрузкой
эффективное динамическое торможение двигателя
управление работой двигателя, как в двигательном, так и в генераторном режиме
максимальный КПД двигателя во всех режимах работы
управление электромагнитным тормозом (в подъёмниках)
ПИД-регулирование переменной процесса
работу двигателя с обратной связью по скорости и положению
локальное управление технологическим процессом (в ПЧ может быть встроен логический контроллер,
расширяемые входы для подключения датчиков и выходы для управления исполнительными устройствами).
Цели внедрения преобразователей частоты
Стабилизация технологического процесса
Автоматическое регулирование скорости вращения приводных механизмов (вентиляторов, насосов, конвейеров и др.)
позволяет лучше стабилизировать технологический процесс:
Привод быстрее и точнее отрабатывает задание и возмущения
Кривую переходного процесса можно настроить под конкретную задачу.
Энергосбережение
При регулировании технологических параметров (расхода, давления, температуры) традиционным способом (задвижкой, клапаном, шибером)
энергопотребление электродвигателя (насоса или вентилятора) изменяется незначительно.
Преобразователь частоты регулирует технологические параметры, изменяя скорость вращения двигателя,
при этом энергопотребление снижается существенно. Для турбомеханизмов с вентиляторной нагрузкой мощность находится в кубической
зависимости от скорости вращения двигателя. Другими словами, если, например, для поддержания требуемого давления насос вращается со скоростью,
равной половине номинальной, то энергии он будет потреблять на 87,5% меньше, чем в номинальном режиме.
Замена двигателей постоянного тока
Раньше приводы постоянного тока применялись достаточно широко, сейчас их с успехом заменяют приводами переменного тока,
которые работают со стандартными асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором:
Снижаются эксплуатационные расходы, которые в большей степени связаны с обслуживанием коллектора
Улучшаются энергетические показатели
Стандартные асинхронные двигатели дешевле и доступнее, чем двигатели постоянного тока.
Замена двигателей c фазным ротором
Регулирование скорости двигателя с фазным ротором осуществляется путём изменения реостатного сопротивления в цепи ротора.
Такие электроприводы не имеют полноценного режима торможения и не предназначены для обеспечения длительного глубокого регулирования скорости,
так как они обладают небольшой продолжительностью включения (порядка 10…30%) на малых скоростях и малым диапазоном регулирования скорости
(обычно 1:3). При добавлении сопротивления в цепи ротора, механическая характеристика становится мягкой. КПД таких электроприводов порядка 50%.
Данный способ регулирования скорости морально устарел и с успехом заменяется частотным регулированием.
Замена старых тиристорных приводов
Выходные силовые каскады современных преобразователей частоты реализованы на базе IGBT-транзисторов.
Старые тиристорные приводы, как правило, ремонтируются «на коленке», специалистов по сервису и запчасти для них найти становится всё сложнее.
Современные приводы существенно превосходят своих предшественников, как по экономическим, так и по массогабаритным показателям.
Замена высоковольтных двигателей на низковольтные
В СССР широко применялись двигатели на напряжение 6кВ и 10кВ. Замена старых высоковольтных двигателей на новые низковольтные двигатели с
низковольтными преобразователями частоты часто экономически более оправдана, чем установка высоковольтных ПЧ:
Низковольтные ПЧ дешевле
Обслуживание низковольтной техники проще и дешевле
Современные низковольтные двигатели можно подобрать тех же установочных размеров, что и старые высоковольтные двигатели.
Повышение надёжности работы и увеличение срока службы основного технологического оборудования
При работе насосов и вентиляторов на пониженных скоростях увеличивается срок эксплуатации подшипников,
замедляется износ оборудования из-за трения
Плавные пуски и остановы насосов предотвращают прорывы труб из-за гидроударов
Контроль токов и моментов исключает поломки агрегатов из-за механических напряжений, заклинивания и т.п.
Преобразователи частоты при правильной эксплуатации не требуют обслуживания в отличие, например, от механических задвижек с электроприводом
Автоматический пропуск резонансных частот исключает разрушение агрегата из-за механического резонанса
Подхват вращающегося двигателя в обоих направлениях при восстановлении питания.
Увеличение производительности
За счёт улучшения управляемости технологическим процессом и повышения точности регулирования
При определённых условиях двигатель можно разогнать выше номинальной скорости
Повышенные пусковые моменты и интенсивное торможение за счёт более эффективного рассеивания тепла в самом двигателе и на внешнем тормозном
резисторе позволяют увеличить производительность автоматической линии.
Снижение простоя оборудования
Например, производительность центробежного сепаратора и крупность выделяемого им материала зависит от скорости воздушного потока,
которая регулируется изменением угла наклона лопастей. Такая переналадка занимает много времени.
Преобразователь частоты регулирует скорость в непрерывном режиме.
Снижение стоимости установленного оборудования
Встроенные в преобразователи частоты функции позволяют реализовать достаточно сложные задачи автоматического управления без использования
дополнительного оборудования:
Работа на разных скоростях, реверс (не нужен контактор)
Полная защита двигателя (не нужно тепловое реле, реле контроля фаз)
Cos ф≈1 (не нужны компенсаторы реактивной мощности двигателей)
Защита насоса от сухого хода (без датчика сухого хода)
Защита от обрыва ремня вентиляторов (не нужны дополнительные датчики)
Логическая обработка входных дискретных сигналов
Встроенные ПИД-регуляторы процесса, скорости (не нужны внешние регуляторы)
Встроенный каскадный контроллер (для турбомеханизмов)
Встроенные часы реального времени.
Автоматизация
ПЧ может архивировать в своей памяти, отображать на своём дисплее и передавать для дальнейшей обработки по полевой шине все электрические
параметры двигателя, информацию от датчиков, подключенных к ПЧ, рабочие и аварийные сообщения
Снижение человеческого фактора.
Как выбрать преобразователь частоты
Конфигурация "Выпрямитель - Инвертор"
В одном корпусе ПЧ находится и выпрямитель, и инвертор
Выпрямитель и инверторы выполнены в разных корпусах, при этом несколько инверторов подключаются к шине постоянного тока одного
выпрямителя "стенка-к-стенке". Такая конфигурация более экономична в многодвигательных приводах:
выпрямитель имеет функцию рекуперации энергии обратно в сеть
приводы работают одновременно в разных режимах - двигательных и генераторных
длина "батареи" приводов физически ограничена размерами помещения.
Конфигурация выпрямителя
Все преобразователи частоты являются источниками гармонического искажение тока сети. Чем выше пульсность выпрямителя, тем меньше это искажение.
Мощные ПЧ выпускаются с 12-ти и 18-пульсными выпрямителями.
18-пульсные выпрямители генерирует гармоники 17, 19, 23, 25 и т.д.
Тип охлаждения
Воздушное
Жидкостное (для мощных ПЧ)
Через заднюю стенку (для приводов небольшой мощности). В этом случае ПЧ может устанавливаться в герметичный шкаф,
с наружной стороны которого крепится радиатор. Тепло проходит через стенки ПЧ и шкафа и рассеивается на радиаторе.
Такая технология называется "Холодная плита" (Cold Plate).
Тип нагрузки
При выборе преобразователя частоты необходимо учитывать тип нагрузки:
С постоянным моментом (конвейер) или переменным моментом (насос, вентилятор)
Инерционная или малоинерционная
Активная или пассивная
Крановая.
Тип двигателя
ПЧ работают с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором.
При подключении двигателя с фазным ротором фазные сопротивления необходимо закоротить
Некоторые ПЧ могут работать с синхронными двигателями или с серводвигателями с постоянными магнитами
Низковольтный ПЧ может работать с высоковольтным двигателем через повышающий трансформатор.
Выходной ток преобразователя частоты
Частотные преобразователь выбирается так, чтобы его номинальный выходной ток был не меньше тока полной нагрузки двигателя
(или суммы токов полной нагрузки двигателей, подключенных в параллель к одному ПЧ). ПЧ одинаковой мощности разных производителей
могут иметь разные номинальные токи. Так и разные двигатели одинаковой мощности могут быть рассчитаны на разные токи.
Перегрузочный момент
Необходимо также учесть кратковременные пусковые перегрузки и выбрать ПЧ с подходящей перегрузочной способностью по току
(для насосов и вентиляторов, например, бывает достаточно 110%, а для конвейеров - 150%).
Входной ток преобразователя частоты
Входной ток можно уменьшить, если выбрать ПЧ с фильтром гармоник. Соответственно меньше нагружается питающий трансформатор,
сечение питающего кабеля можно уменьшить, выбрать предохранители или автоматический выключатель на меньший ток, т.е. сэкономить.
Выходное напряжение преобразователя частоты
Преобразователь частоты сначала выпрямляет сетевое напряжение, а затем преобразует его в трёхфазное напряжение.
ПЧ может иметь однофазный или 3-х фазный вход. Стандартные ПЧ не могут повышать напряжение. Выход у ПЧ всегда трёхфазный,
поэтому подключить к ПЧ мы можем только 3-х фазный асинхронный двигатель, номинальное напряжение питания которого равно выходному
номинальному напряжению ПЧ.
Переразмеривание
Переразмеривание – это выбор частотного преобразователя большей мощности, чем нужно для работы в нормальных условиях.
Переразмеривать ПЧ нужно в случае:
Работы ПЧ в более широком температурном диапазоне
Работы ПЧ с перегрузочным моментом больше допустимого для данной модели привода
Установки ПЧ выше 1000 метров над уровнем моря
Повышения частоты коммутации силовых ключей.
Класс защиты корпуса IP
Необходимо правильно подобрать класс защиты корпуса ПЧ для защиты от пыли и воды:
IP00 или IP20, если ПЧ предназначен для установки в шкаф (который сам имеет необходимую защиту)
IP21, если ПЧ устанавливается в специальном помещении
IP54 или IP55, если ПЧ устанавливается в производственном помещении
IP66, если ПЧ поливается из шланга (моется) вместе со всем технологическим оборудованием.
Для работы в условиях повышенной влажности или агрессивной окружающей среды дополнительно рекомендуются ПЧ со специальным компаундным
покрытием электронных плат.
Длина моторного кабеля
При выборе модели ПЧ необходимо учитывать максимально допустимую длину моторного кабеля (между ПЧ и двигателем).
Некоторые производители рекомендуют использовать выходные фильтры для увеличения длины моторного кабеля.
Допустимая длина моторного кабеля зависит как от модели ПЧ, так и от типа кабеля (для экранированных кабелей длина уменьшается
из-за увеличения утечек тока на землю). При параллельном подключении нескольких двигателей к одному ПЧ допустимая длина моторного
кабеля рассчитывается как сумма длин кабелей всех двигателей.
Электро-магнитная совместимость (ЭМС)
Любой ПЧ является источником электромагнитных помех:
Радиопомех, которые передаются как по сети, так и по воздуху
Гармонических искажений тока и напряжения
Поэтому при выборе ПЧ необходимо обеспечить ЭМС для устойчивой работы всего электрооборудования:
Возможно, понадобится радио-фильтр (RFI)
Возможно, понадобится входной фильтр гармоник (сетевой фильтр).
Силовые опции для защиты ПЧ и двигателя
Для защиты ПЧ рекомендуется использовать быстродействующие полупроводниковые предохранители
Для защиты привода от бросков в сети можно установить сетевой дроссель или выбрать ПЧ со встроенным фильтром гармоник
Для защиты двигателя, не предназначенного для работы от ПЧ, необходимо подобрать выходной фильтр du/dt или синусный фильтр.
Торможение
При выборе ПЧ необходимо учитывать его способность утилизировать энергию, выделяющуюся при динамическом торможении:
AC/DC-торможение без использования тормозного резистора
Динамическое торможение с использованием тормозного резистора, для подключения которого у ПЧ должен быть тормозной ключ (чоппер);
тормозной резистор подбирается по нагрузочному циклу
Рекуперация энергии в сеть
Многие ПЧ умеют управлять механическим тормозом через свои встроенные релейные выходы.
Особенности работы двигателя с преобразователем частоты
При длительной работе от ПЧ на низких оборотах с номинальным моментом двигатель может греться, поэтому необходимо предусмотреть его
принудительное охлаждение
Если класс изоляции (сопротивление обмоток) двигателя не рассчитан для работы с ПЧ, необходимо предусмотреть фильтр между ПЧ и двигателе
При работе с ПЧ рекомендуется использовать двигатель с термисторами для контроля температуры обмоток двигателя
Категорически не допускается включение между ПЧ и двигателем компенсаторов реактивной мощности.
ПЧ сам компенсирует реактивную мощность подключенного к нему двигателя. Если компенсаторы необходимы для компенсации реактивной
мощности других потребителей, то они могут быть включены только со стороны входа ПЧ
ПЧ сам полностью защищает двигатель (кроме случая параллельного подключения нескольких двигателей к одному ПЧ).
Скорость вращения
ПЧ может увеличить скорость вращения двигателя выше номинальной. Насколько - это уже зависит от двигателя (см. каталог на двигатели).
В ПЧ легко настроить ограничение минимальной скорости вращения насоса. Преобразователи частоты с векторным управлением потоком и
обратной связью по скорости могут удерживать неподвижный вал двигателя с номинальным моментом.
Точность и диапазон регулирования
Точность и динамика привода зависят от типа управления:
Скалярный
Скалярный с компенсацией скольжения
Управление вектором напряжения
Управление вектором тока
Управление вектором потока
Работа с обратной связью (по технологическому параметру, по скорости)
Диапазон регулирования 1:100 означает, что ПЧ может изменять скорость двигателя от 100% до 1% от номинальной.
Скалярный или векторный
Векторный привод динамичнее и точнее, но дороже скалярного. Векторные приводы бывают разные: с регулированием вектора напряжения,
вектора тока или вектора потока.
Векторный режим не будет работать, если:
ПЧ не может построить математическую модель двигателя (старый перемотанный двигатель)
К ПЧ параллельно подключены несколько двигателей
Мощность двигателя намного меньше мощности ПЧ
Между ПЧ и двигателем установлен синусный фильтр.
Регулирование момента или скорости
Некоторые векторные ПЧ могут регулировать момент и без энкодера. При регулировании скорости можно запрограммировать реакцию ПЧ на выход за
граничные значения по моменту.
Функции локального управления
Преобразователи частоты имеют различные встроенные возможности для локального управления, использование которых может полностью исключить
или существенно снизить стоимость дополнительного внешнего оборудования:
ПИД-регуляторы процесса с автоматической настройкой и возможностью реализации подчинённого (каскадного) управления
ПИД-регуляторы скорости
Логические контроллеры
Контроллеры синхронизации и позиционирования
Интерфейсы для подключения различных датчиков обратной связи.
Насосные и вентиляторные функции
Каскадное управление несколькими турбомеханизмами
Защита от сухого хода насоса
Защита от обрыва приводного ремня
Автоматический пропуск резонансных частот
Защита от протечек в трубе
Попеременная работа с двумя насосами для выравнивания моторесурса
Регулирование перепада давления (ПЧ сам рассчитывает разность давлений)
Спящий режим
Режим энергосбережения
Регулирование расхода по давлению.
Панель оператора
Панели оператора бывают разные:
Встроенные или съёмные
Цифровые, текстовые или графические
С поддержкой русского языка
С отображением справочной информации (Help) с описанием параметров
С кнопками для переключения межу режимами: ручным (Manual) и автоматическим (Auto)
С кнопками «JOG» и «Реверс»
С ручкой потенциометра для изменения задания скорости
С памятью для хранения нескольких наборов параметров для нескольких ПЧ
С возможностью управления несколькими ПЧ от одной панели
С возможностью программирования от ПК без подключения к ПЧ
С возможностью выносного монтажа на двери шкафа
Со встроенными часами реального времени
Программирование преобразователя частоты
От ПК через встроенный в ПЧ порт USB с помощью стандартного компьютерного кабеля
От ПК через встроенный в ПЧ порт RS485 или RS232 с помощью специального адаптера интерфейсов
Через панель оператора
Настройки можно переписать в ПЧ с карты памяти, предварительно запрограммированной через ПК.
Интеграция в АСУ ТП
Для подключения к полевой коммуникационной шине преобразователь частоты должен обладать подходящим интерфейсом или сетевой картой:
свободно-программируемый RS485, Modbus RTU, PROFIBUS DP, PROFINET, DeviceNet, Ethernet/IP, Lon, CANOpen, BACNet и др.
Бесперебойную работу сети и передачу по ней диагностической информации во время сбоя питания можно обеспечить,
если в ПЧ есть возможность запитать плату управления, панель оператора и коммуникационную карту от внешнего ИБП.
Свои «лишние» входы-выходы некоторые ПЧ могут предоставить в распоряжение в качестве децентрализованной периферии центральным ПЛК,
с которыми они общаются по промышленной шине, для управления технологическим процессом в месте установки привода.
Функции безопасности
В опасных для жизни персонала приложениях (прессы, роботы) необходимо использовать оборудование соответствующей категории безопасности.
Многие производители предлагают ПЧ со встроенными функциями безопасности (Safety).