Оборудование для регулирования частоты и напряжения

Частотные преобразователи для двигателей

В каталоге представлены частотные преобразователи SIEMENS, Prostar, Delta Electronics и VT Drive мощностью 0,12 — 630 кВт. Устройства используются для управления асинхронными электродвигателями переменного тока. В наличии на складе имеются скалярные и векторные преобразователи.

Частотные преобразователи PROSTAR

Одно из преимуществ продукции Prostar — невысокая цена. Компания выпускает несколько серий однофазных и трехфазных ПЧ, включая серии PR6000 (скалярное управление частотой) и PR6100 (векторное управление). Диапазон мощностей: от 0,4 до 630 кВт.

Частотные преобразователи SIEMENS

Векторные преобразователи частоты Siemens Micromaster с широтно-импульсной модуляцией. Производятся на базе IGBT-транзисторов, предназначены для сетей с напряжением 220/380В. Серия Sinamics — однофазные инверторы небольшой мощности (0,12 — 3 кВт; 120 — 240В).

Частотные преобразователи Delta Electronics

Однофазные и трехфазные преобразователи частоты серий VFD-L, VFD-EL и VFD-E. Мощность подключаемого двигателя: 0,2 — 22 кВт. Диапазон регулировки выходной частоты: 0,1— 600 Гц. Частотники оснащены РЧ-фильтром.

Частотные преобразователи VT Drive

Частотные регуляторы для управления короткозамкнутыми асинхронными приводами. Расчетная мощность: 5,5 — 560 кВт. Напряжение питающей сети: 380В или 660В. Класс защиты IP20 (установка в электрошкаф).

INNOVERT

Частотные преобразователи INNOVERT предназначены для управления скоростью вращения трехфазных асинхронных двигателей мощностью до 560 кВт. Устройства имеют встроенный ПИД-регулятор, PLC-режим, до шести многофункциональных входов, порт RS485. В линейке представлены как общепромышленные преобразователи, так и специализированные решения — частотники INNOVERT PUMP для управления насосами и INNOVERT VENT для приводов вентиляторов.

Опции

Дополнительное оборудование для защиты и расширения функциональности частотников.

Частотный преобразователь используется для плавного регулирования момента и скорости вращения вала электродвигателя. Также частотник снижает пусковые токи, уменьшает потребление электроэнергии (до 60%), обеспечивает плавный пуск и торможение привода, его защиту от перегрузок и перегрева.

Принцип работы

Общий принцип работы частотного преобразователя основан на формировании выходного напряжения с заданными характеристиками. Преобразователь частоты с промежуточным звеном устроен следующим образом. На первом этапе преобразования происходит выпрямление переменного напряжения электросети, уменьшение его пульсации и фильтрация гармоник (гармонических искажений тока). Из выпрямителя постоянный ток поступает в цепи инвертора, где преобразуется в переменное напряжение с изменяемой частотой и амплитудой. В качестве силовых элементов используются IGBT-транзисторы, выполняющие функцию электронных ключей. Управление частотой позволяет регулировать скорость вращения ротора электродвигателя.

По способу управления различают скалярные и векторные преобразователи частоты. Скалярные частотники используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) — распространенный метод управления, суть которого заключается в формировании и подаче выходных импульсов тока заданной частоты и скважности на статорную обмотку электродвигателя. Особенностью скалярного способа является возможность одновременного управления несколькими электродвигателями.

Векторный преобразователь частоты управляет магнитными полями как статора, так и ротора за счет изменения значений напряжения и выходного тока (силы, частоты и фазы). Выпускаются два класса подобных устройств: с обратной связью (с датчиком на валу двигателя) и бездатчиковые. Частотный преобразователь с обратной связью быстро реагирует на изменение нагрузки, сохраняя заданную скорость вращения двигателя. Это наиболее современный тип оборудования. В целом преобразователи частоты с векторным управлением имеют более высокую точность, но, как правило, сложнее в настройке.

Применение

Инверторы частоты используются для управления электроприводами различного оборудования:

насосы систем водоснабжения (скважинные, глубинные)
станочное оборудование (токарные, шлифовальные, ленточнопильные станки)
лифтовое оборудование
вентиляторы
компрессоры
конвейеры, транспортеры, рольганги
подъемное оборудование (краны, электротельферы)

Как выбрать частотный преобразователь

Существует несколько основных параметров, которыми руководствуются при выборе частотника.

1. Мощность преобразователя частоты должна соответствовать номинальной мощности электродвигателя. Этот принцип верен в случае с обычным асинхронным приводом. Если используется специальный двигатель (синхронный, с тормозом и т. д.), то правильнее ориентироваться на значение номинального тока — у частотника оно должно быть выше, чем у двигателя.

2. Параметры электросети. Большинство современных частотных инверторов рассчитаны на работу в трехфазной сети с напряжением 380В. Также выпускаются однофазные инверторы малой мощности, рассчитанные на напряжение 220-240В. К сожалению, качество электросети не всегда стабильно. Падение напряжения может привести к отключению частотника, резкое повышение выведет его из строя. Чтобы избежать подобных проблем, рекомендуется выбирать ПЧ с широким диапазоном напряжений.

Обратите внимание. Однофазный частотник можно подключить к трехфазному двигателю по схеме «треугольник» (при подключении по схеме «звезда» происходит потеря мощности). Трехфазный частотный преобразователь также может работать в однофазной сети, но в этом случае его выходной ток не должен быть выше 50% от номинального значения.

3. Перегрузочная способность. Важный параметр, от которого зависит срок службы инвертора. Подбирайте ПЧ в соответствии с продолжительностью, периодичностью и величиной перегрузок двигателя. Обычно эти данные указываются в руководстве к приводу. Иногда рекомендуют приобретать преобразователь с запасом по мощности и пиковому току до 15%.

4. Диапазон регулирования частот. Практически любой преобразователь частоты обеспечит стабильную работу двигателя, если скорость его вращения не опускается ниже 10% от номинальной. При работе привода на низких оборотах необходимо позаботиться о дополнительном охлаждении, чтобы избежать перегрева. Верхний предел диапазона указывает на то, сможет ли инвертор управлять электродвигателем с высокими номинальными частотами. Наиболее широкий диапазон предлагают векторные частотные преобразователи.

5. Дополнительные опции. Нередко производители стремятся удешевить свою продукцию и предлагают частотники в базовой комплектации. При покупке преобразователя следует заранее позаботиться о защитном оборудовании: сетевом и моторном дросселях, тормозном резисторе и проч.

К прочим характеристикам инверторов, определяющих выбор той или иной модели, относятся: количество цифровых и аналоговых входов/выходов, класс защиты IP, информативность и удобство отображения рабочих параметров (количество строк на дисплее, тип экрана и проч.), уровень защиты двигателя (защита от скачков напряжения в сети, от перегрева, от короткого замыкания и т. д.), климатическое исполнение.

Также рекомендуем ознакомиться с каталогом мотор-редукторов. В ассортименте представлены приводы с червячной, зубчатой, планетарной и волновой передачами.

Источник

Частотный электропривод. Эффективность применения частотно-регулируемых приводов

На сегодняшний день уже невозможно представить современное промышленное производство, транспортные системы, любую сферу жизнедеятельности человека без применения в них электрических двигателей. Для обеспечения непрерывного и энерогоэффективного управления технологическими процессами, в которых используются электродвигатели, применяется частотно-регулируемый привод (ЧРП), основным звеном которого, помимо двигателя, является преобразователь частоты (сокращенно называют – ПЧ, или просто «частотник»).

В связи с развитием микропроцессорной техники и электроники современные частотные преобразователи обладают следующими преимуществами:

обеспечение КПД установки до 99%;
наличие комплексного набора защит регулируемого электропривода;
возможность использования для множества технологических применений;
ограничение пусковых токов в пределах 1,2*Iн при запуске двигателя;
плавное регулирование скорости вращения двигателя в широком диапазоне частот;
возможность рекуперации энергии в питающую сеть для повышения энергоэффективности с помощью рекуператора;
наличие необходимых протоколов связи для обеспечения автоматизации и диспетчеризации в общей системе управления АСУ ТП.

Преобразователи частоты являются довольно универсальным приводным устройством, предусмотренным для работы в различных областях промышленности и производства. Но для каждого применения необходимо учитывать технологические особенности функционирования оборудования, которым будет управлять частотник, для оптимального использования имеющегося у преобразователя набора характеристик. Также это напрямую будет влиять на эффективность и бесперебойность работы самого частотника и электроприводного комплекса в целом.

Для понимания особенностей функционирования преобразователя частоты подробнее рассмотрим его устройство.

Устройство и принцип работы преобразователя частоты

Частотные преобразователи реализуют по схеме, состоящей из силовой и управляющей части. Силовая часть содержит в себе транзисторные, либо тиристорные элементы, работающие в качестве электронных ключей. Регулирование их работы производится при помощи цифровых микропроцессоров, которые помимо управления «ключевой» схемой еще выполняют функции защиты, диагностики и сопряжения с внешней системой управления преобразователем частоты.

В зависимости от принципа построения силовой части преобразователи можно разделить на 2 типа:

преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока;
без звена постоянного тока (ПЧ с непосредственной связью).

Одним из первых типов преобразователей частоты были именно «частотники» с непосредственной связью. Силовая часть данных устройств основывалась на тиристорных элементах и представляла собой управляемый выпрямитель.

При работе ПЧ группы тиристоров в определенной последовательности открывались, подавая напряжение на обмотки двигателя. Выходное напряжение таких преобразователей имело «пилообразную» форму, а его частота не могла превышать частоту питающей сети. Диапазон регулирования в преобразователях частоты без звена постоянного тока довольно мал – не более 1:10, что является недостаточным в современных реалиях управления технологическими объектами. Вследствие чего, в настоящий момент применение ПЧ подобного типа ограничено для большинства применений в связи с высокими требованиями, которые предъявляются к характеристикам входного напряжения и диапазону регулирования.

Вышеназванные недостатки ПЧ с непосредственной связью были решены в современных преобразователях частоты со звеном постоянного тока, силовая часть которых состоит из выпрямителя, фильтра и транзисторного инвертора.

Типовая схема и принципы работы ПЧ со звеном постоянного тока показаны на рисунке:

В таких устройствах питающее напряжение преобразовывается дважды: входное напряжение выпрямляется в выпрямителе (1), сглаживается на фильтрующих элементах (2), и далее преобразуется в инверторе (3) в выходной сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). При необходимости на инверторном выходе до двигателя устанавливается моторный дроссель (4) для сглаживания токовых пульсаций.

На инверторе постоянное напряжение преобразуется в трехфазное переменное с изменяемой частотой и амплитудой. Микропроцессорное устройство в ПЧ подает сигналы управления на силовые транзисторы инвертора, формируя практически синусоидальный сигнал необходимой формы. Наибольшая ширина сигнальных импульсов – в середине полупериода, а в начале и ближе к окончанию полупериода она уменьшается, тем самым обеспечивая ШИМ-модуляцию напряжения, которое подается на обмотки двигателя.

Подобное построение силовой части ПЧ позволило преобразователям со звеном постоянного тока обеспечить:

широкий диапазон регулирования (до 1: 10 000);
быстродействие электроприводного комплекса в целом;
возможность регулирования частоты вращения на низких оборотах двигателя;
снижение уровня высших гармоник ПЧ и пульсации момента;
увеличение срока службы преобразователя частоты и управляемого им электродвигателя.

Относительно алгоритмов контроля и управления работой преобразователей частоты на практике подразделяются следующие методы управления:

скалярное управление;
векторное управление.

Скалярное (частотное) управление электродвигателем переменного тока используют там, где требуется поддерживать постоянным отношене напряжения к частоте.

Векторный принцип управления относительно скалярного – более производителен, имеет широкий диапазон и точность регулирования (в том числе на малых оборотах двигателя).

Метод управления выбирается в зависимости от требований, которые необходимы для выполнения технологического процесса.

Более подробно о различиях и особенностях применения скалярного и векторного метода регулирования можете прочесть в одной из наших предыдущих статей.

Пример эффективного применения ЧРП

В качестве одного из объектов частотно-управляемого привода, где применение ПЧ качественно повышает эффективность всего технологического процесса, можно привести в пример подъемные механизмы, в частности – лифтовое оборудование. Учитывая тяжелые условия эксплуатации подобного оборудования, повторно-кратковременные режимы при частых включениях/отключениях, установка частотно-регулируемого привода является эффективной возможностью увеличения технологичности и оптимизации подъемных процессов, позволяя:

Существенно снизить энергопотребление привода (в среднем, частотный электропривод для управления лифтовым оборудованием экономит до 40% электроэнергии (по сравнению с применениями без ПЧ).
Тем самым значительно уменьшаются затраты на энергоресурсы и есть возможность в минимальные сроки окупить средства, которые были вложены в модернизацию.
Осуществлять плавный запуск, разгон и остановку лифтовых механизмов, обеспечивая необходимое значение крутящего момента двигателя на небольшой частоте вращения и режим “противоотката” кабины лифта.
Это позволит увеличить срок службы электродвигателей и механических частей механизма, уменьшить затраты на техническое обслуживание приводного комплекса, гарантировать оптимальный рабочий режим лифта.
Дополнить защитные функции системы.
Данная опция позволит комплексно защитить привод по токовой перегрузке, перенапряжению, утечек, фазных обрывов и т.д.
Выполнить сброс излишней энергии при остановке приводного механизма.
Это осуществляется при помощи подключаемых к частотнику тормозных резисторов, либо посредством рекуператоров энергии для максимально эффективного управления частотным приводом (в этом случае излишняя энергия будет возвращаться обратно в питающую сеть).
Модернизировать производственный цикл за счет широких возможностей управления работой привода и процессами торможения.
Применение ПЧ обеспечивает точное регулирование скорости движения и положения кабины с помощью датчиков обратной связи (диапазон регулирования скорости 1:1000, точность поддержания скорости составляет 0,01%).

По статистике подобных применений, при внедрении преобразователей в лифтовых системах окупаемость частотного регулируемого привода не превышает 2 лет. При этом сокращаются затраты на обслуживание и ремонт лифтового электропривода.

Применение преобразователей частоты при управлении электроприводами позволяет напрямую подстраивать регулируемые производственные характеристики (температуру, давление, скорость движения рабочих механизмов) под различные нужды с сохранением высокого КПД, обеспечивая при этом существенное снижение энергопотребления. Поэтому внедрение частотно-регулируемого привода позволяет решать задачи не только в области автоматизации процесса производства, но и в сфере энергосбережения.

Осуществляя на практике подбор частотного регулируемого привода, необходимо оценить требования, которые предъявляются к объекту управления – это диапазон и точность регулирования, необходимость удержания определенного момента на валу двигателя (в частности, при небольших частотах вращения) и требования к работе электропривода в аварийных ситуациях.

По вопросам подбора оборудования применительно к вашим техническим требованиям
и условиям применения обратитесь к специалистам компании ООО «РусАвтоматизация»

Источник

Для чего нужен частотный преобразователь — виды, принцип работы и устройство

Преобразователи частоты (или частотники) – электротехническое оборудование для регулирования частоты переменного напряжения. Основная сфера применения этих устройств – изменение частоты вращения и крутящего момента электрических машин асинхронного типа. Принцип действия управления и регулирования основан на зависимости скорости вращения магнитного поля от частоты питающего напряжения.

Асинхронные электродвигатели широко используются в качестве приводов промышленного оборудования, насосных агрегатов, регулирующей арматуры и других устройств. Основным недостатком этих электрических машин являются постоянная скорость вращения, большие пусковые токи. При помощи частотных преобразователей возможно устранить эти недостатки и существенно расширить сферу применения электродвигателей переменного тока.

Виды преобразователей частоты

Частотные преобразователи различаются по конструкции, принципу действия, способу управления. По конструктивному исполнению преобразователи частоты разделяют на две большие группы:

Электромашинные частотники.

Электромашинные или индукционные преобразователи частоты представляют собой двигатели переменного тока, включенные в режим генератора. Применяются такие электротехнические устройства относительного редко, в условиях, где затруднено или невозможно применение электронных частотных преобразователей.

Электронные преобразователи.

Полупроводниковые ЧП состоят из силовой части, выполненной на транзисторах или тиристорах, и схемы управления на базе микроконтроллеров. Это электротехническое оборудование пригодно для трехфазных и однофазных приводов любого назначения. Различают ЧП с непосредственной связью с питающей сетью и устройства с промежуточным звеном постоянного тока.

Непосредственные преобразователи частоты

Такие частотники построены на базе быстродействующих тиристорных преобразователей, включенных по мостовым, перекрестным, нулевым и встречно-параллельным схемам.

Устройства такого типа включаются непосредственно в питающую сеть.

Плюсы непосредственных преобразователей частоты:

Возможностью рекуперации электроэнергии в сеть при работе в режиме торможения двигателя. Непосредственное включение обеспечивает двусторонний обмен электричеством.
Высоким к.п.д. за счет однократного преобразования частоты.
Возможностью наращивания мощности за счет присоединения дополнительных преобразователей.
Широким диапазоном низких частот. Непосредственные преобразователи обеспечивают стабильную работу привода на малых скоростях.

Минусы непосредственных преобразователей частоты:

Аппроксимированная форма выходного напряжения с наличием постоянных составляющих и субгармоник. Такая форма переменного напряжения на выходе устройства вызывает дополнительный нагрев двигателя, снижает момент, создает помехи.
Частота напряжения на выходе преобразователя не превышает аналогичную характеристику сетевого напряжения. Таким образом, при помощи этих устройств можно только снижать скорость вращения двигателей.
Основная сфера непосредственных преобразователей – электроприводы на базе асинхронных и синхронных двигателей большой и средней мощности.

Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока.

Частотные преобразователи этого типа выполнены на базе схемы двойного преобразования. Питающее сетевое напряжение преобразуется в постоянное, затем сглаживается и инвертируется в переменное выходное напряжение заданной частоты.

Плюсы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:

Возможностью получения выходного напряжения с частотой как выше, так и ниже аналогичного параметра сети питания. Частотники на базе схемы двойного преобразования используют для высоко- средне- и низкоскоростных электроприводов.
Чистой синусоидальной формой напряжения на выходе. Схема преобразователя позволяет получать переменное напряжение с минимальным отклонением от синусоидальной формы.
Возможностью построения простых и сложных силовых и управляющих схем для приводов с различными требованиями к скорости реагирования, диапазону скоростей.
Возможностью адаптации к сетям постоянного тока. Преобразователи данного типа можно приспособить для питания от резервных и аварийных источников постоянного тока без дополнительных устройств. Это позволяет применять такие частотники в приводах ответственного оборудования с резервными источниками электроэнергии.
Разнообразием алгоритмов управления. Преобразователи со звеном постоянного тока можно запрограммировать и адаптировать практически ко всем электроприводам, в том числе и претенциозным, где требуется особо точное регулирование скорости и момента.

Минусы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:

Относительно большую массу и габариты, что обусловлено наличием выпрямительного, фильтрующего и инверторного блоков.
Повышенные потери мощности. Схема двойного преобразования несколько уменьшает общий к.п.д.

Устройство преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока

Состоят такие преобразователи из нескольких основных блоков:

Выпрямителя. Для ЧП используются диодные и тиристорные преобразователи постоянного тока. Первые отличаются высоким качеством постоянного напряжения практически с полным отсутствием пульсации, низкой стоимостью и надежностью. Однако диодные выпрямители не позволяют реализовать возможность рекуперации электроэнергии в сеть при торможении двигателя. Выпрямители на тиристорах обеспечивают возможность протекания тока в обоих направлениях и позволяют отключать преобразователь от сети без дополнительной коммутирующей аппаратуры.
Фильтра. Выходное напряжение тиристорных управляемых выпрямителей имеет значительную пульсацию. Для ее сглаживания используют реакторы, емкостные или индуктивно-емкостные фильтры.
Инвертора. В ЧП используют инверторы напряжения и тока. Последние обеспечивают рекуперацию электроэнергии в сеть и применяются для управления электрическими машинами с частым пуском, реверсом и остановкой, например, крановыми двигателями.
Частотники на базе инверторов напряжения выдают на выходе напряжение формы “чистый синус”. Благодаря этому преобразователи такого типа получили наиболее широкое распространение.
Микропроцессора. Этот блок осуществляет управление входным выпрямителем, прием и обработку сигналов с датчиков, взаимодействие с автоматизированной системой высшего уровня, запись и хранение информации о событиях, формирует выходное напряжения ЧП соответствующей частоты. А также выполняет функции защиты от перегрузок, обрыва фазы и других аварийных и ненормальных режимов работы.

Способы управления преобразователем

По принципу управления различают 2 основных вида частотных преобразователей:

ЧП со скалярным управлением

Частотники этого типа выдают на выходе напряжение определенной частоты и амплитуды для поддержания определенного магнитного потока в обмотках статора. Частотники с таким принципом регулирования отличаются относительно низкой стоимостью, простотой конструкции. Нижний предел регулировки скорости составляет около 10 % от номинальной частоты вращения. Их можно использовать для управления сразу несколькими двигателями. Скалярные ЧП используют для приводов насосных агрегатов, вентиляторов и других устройств и оборудования, где не требуется поддерживать скорость вращения ротора вне зависимости от нагрузки.

ЧП с векторным управлением

Микропроцессорные устройства преобразователей с векторным управлением автоматически вычисляют взаимодействие магнитных полей статора и ротора. ЧП такого типа обеспечивают постоянную частоту вращения ротора вне зависимости от нагрузки. Они используются для оборудования, где необходимо поддерживать необходимый момент силы при низких скоростях, высокое быстродействие и точность регулирования. Применение векторных ЧП позволяет регулировать частоту вращения, задавать требуемый момент на валу.

ЧП с векторным управлением делятся на преобразователи бездатчикового типа и устройства с обратной связью по скорости. Последние используются для приводов с широким диапазоном регулирования скорости до 1:1000, необходимости позиционирования точного положения вала, регулирования момента при низких скоростях, точного поддержания частоты вращения, пуска двигателя с номинальным моментом. Преобразователи без датчика скорости применяют для приводов с более низкими требованиями.

Режимы управления частотными преобразователями

В большинстве моделей современных частотных преобразователей реализована возможность управления в нескольких режимах:

1) Ручное управление.

Пуск и остановка электродвигателя осуществляются с панели или пульта управления частотника. При этом преобразователь осуществляет регулировку частоты вращения и остановку при возникновении аварийных ситуаций автоматически.

2) Внешнее управление.

ЧП с поддержкой интерфейсов передачи данных можно подключать к удаленному ПК для контроля текущих параметров и задания режимов работы привода.

3) Управление по дискретным входам или “сухим контактам”.

В таком режиме ЧП является исполнительным механизмом внешней системы управления.

4) Управление по событиям.

Некоторые модели ЧП позволяют запрограммировать время пуска или остановки, работу двигателя в другом режиме. Преобразователи такого типа применяют для полностью или частично автоматизированного технологического оборудования.

Преимущества частотных преобразователей.

Основные преимущества использования частотных преобразователей:

1) Экономия электроэнергии.

Применение ЧП позволяет снизить пусковые токи и регулировать потребляемую мощность двигателя в зависимости от фактической нагрузки.

2) Увеличение срока службы промышленного оборудования.

Плавный пуск и регулировка скорости вращения момента на валу позволяют увеличить межремонтный интервал и продлить срок эксплуатации электродвигателей.
Возможность отказаться от редукторов, дросселирующих задвижек, электромагнитных тормозов и другой регулирующей аппаратуры. снижающей надежность и увеличивающей энергопотребление оборудования.

3) Отсутствие необходимости проводить техническое обслуживание.

ЧП не имеют движущихся частей, нуждающихся в регулярной чистке и смазке.

4) Возможность удаленного управления и контроля параметров оборудования с электроприводом.

Во многих частотниках реализована возможность подключения удаленных устройств телеметрии и телемеханики, они могут встраиваться в многоуровневые системы автоматизации.

5) Широкий диапазон мощности двигателей.

Частотные преобразователи устанавливают как на однофазные конденсаторные двигатели мощностью менее 1 кВт, так и на синхронные электромашины мощностью в десятки МВт.

6) Защита электродвигателя от аварий и аномальных режимов работы.

ЧП комплектуют защитой от перегрузок, коротких замыканий, пропадания фаз. Преобразователи также обеспечивают перезапуск при возобновлении подачи электроэнергии после ее отключения.
Возможность бесступенчатой точной регулировки частоты вращения без потерь мощности, что невозможно при использовании редукторов.

7) Снижение уровня шума работающего двигателя.

Возможность замены двигателей постоянного тока асинхронными электрическими машинами с частотными регуляторами. Для оборудования, требующего регулировки момента и скорости вращения, часто используются двигатели постоянного тока, скорость вращения которых пропорциональна поданному напряжению. Такие электрические машины стоят дороже асинхронных и требуют дорогостоящих промышленных выпрямителей. Замена двигателей постоянного тока на асинхронные электромашины с частотным управлением дает хороший экономический эффект.

Сферы применения

Частотно-регулируемые приводы применяют:

Для кранов и грузоподъемных машин. Крановые двигатели работают в режиме частых пусков, остановок, изменяющейся нагрузки. ЧП обеспечивают отсутствие рывков и раскачивания груза при пусках и остановках, остановку крана точно в требуемом месте, снижают нагрев электродвигателей и максимальный пусковой момент.
Для привода нагнетательных вентиляторов в котельных и дымососов. Общее управление с плавной регулировкой дутьевых и вытяжных вентиляторов позволяет автоматизировать процесс горения и обеспечить максимальный к.п.д . котельных агрегатов.
Для транспортеров, прокатных станов, конвейеров, лифтов. ЧП регулирует скорость перемещения транспортного оборудования без рывков и ударов, что увеличивает срок службы механических узлов.Для насосных агрегатов. ЧП позволяют обойтись без задвижек и вентилей, регулирующих давление и производительность, и существенно увеличить общий к.п.д системы водоподачи.
Для электродвигателей станков. Использование преобразователя частоты вместо коробки передач позволяет плавно увеличивать или уменьшать частоту вращения рабочего органа станка, осуществлять реверс. ЧП широко используются для станков с ЧПУ и высокоточного промышленного оборудования.

Внедрение частотно-регулируемых приводов дает значительный экономический эффект. Снижение затрат достигается за счет сокращения потребления электроэнергии, расходов на ремонт и ТО двигателей и оборудования, возможности использования более дешевых асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, а также сокращения других производственных издержек. Средний срок окупаемости частотных преобразователей составляет от 3-х месяцев до трех лет.

Источник

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

Содержание

Что такое частотный преобразователь
Принцип работы частотного преобразователя
Виды преобразователей частоты
Для чего может быть нужен электродвигателю частотный преобразователь

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:

Входной синусоидальный переменный однофазный или трехфазный ток выпрямляется диодным мостом или тиристорами;
При помощи специальных фильтров (конденсаторов) происходит фильтрация сигнала для снижения или исключения пульсаций напряжения;
Напряжение преобразуется в трехфазную волну с определенными параметрами с помощью микросхемы и транзисторного моста;
На выходе из инвертора прямоугольные импульсы преобразовываются в синусоидальное напряжение с заданными параметрами.

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.

Циклоконверторы;
Циклоинверторы;
ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока:

Частотный преобразователь источника тока;
Частотный преобразователь источника напряжения (с амплитудно- или широтно- импульсной модуляцией).

По сфере применения оборудование может быть:

для оборудования мощностью до 315 кВт;
векторные преобразователи для мощности до 500 кВт;
взрывозащищённые устройства для применения во взрывоопасных и запыленных условиях;
частотные преобразователи, монтируемые на электродвигатели;

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:

Снижение затрат на электроэнергию: за счет снижения пусковых токов и регулирования мощности двигателя исходя из нагрузки;
Увеличение надежности и долговечности оборудования: позволяет продлить срок эксплуатации и увеличить срок от одного технического облуживания до другого;
Позволяет внедрить внешний контроль и управление оборудованием с удаленных компьютерных устройств и способность встраивания в системы автоматизации;
Частотные преобразователи могут работать с любой мощностью нагрузки (от одного киловатта до десятков мегаватт);
Наличие специальных компонентов в составе частотных преобразователей позволяет защитить от перегрузок, обрыва фазы и короткого замыкания, а также обеспечить безопасную работу и отключение оборудования при возникновении аварийной ситуации.

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.

Источник

Автоматическое регулирование частоты и активной мощности

Содержание

Основные требования.
Структурная схема регулирования.
Устройство регулирования частоты и автоматического распределения активных нагрузок типа УРЧН.
Схемы уравнительных связей при параллельной работе синхронных генераторов.

Основные требования.

Постоянство частоты тока — основное условие нормальной работы потребителей электроэнергии.

Снижение частоты тока приводит к уменьшению частоты вращения электродвигателей электромеханизмов и к значительному понижению их производительности. Понижение частоты приводит к уменьшению к. п. д. первичных двигателей.

Повышение частоты тока сверх номинальной приводит к возрастанию мощности электродвигателей и к увеличению потребления электроэнергии судовыми механизмами; возрастает также температура нагрева, перегрев электро-двигателей.

Регулирование частоты тесно связано с распределением активной мощности между агрегатами судовой электростанции, так как восстановление частоты в электроэнергетической системе достигается путем изменения активной мощности этих агрегатов.

Устройства автоматического регулирования должны поддерживать постоянство частоты в электроэнергетической системе при экономически наивыгоднейшем распределении нагрузки между агрегатами и обеспечивать высокую надежность работы системы как в нормальных, так и в аварийных режимах.

Структурная схема регулирования.

Причиной изменения частоты вращения является нарушение баланса между суммарной мощностью, вырабатываемой генераторами, и суммарной мощностью, потребляемой приемниками.

Регулирование частоты тока осуществляется регуляторами частоты вращения первичных двигателей и регуляторами частоты тока. Первые непосредственно реагируют на изменение частоты вращения первичного двигателя, а вторые — на изменение тока генератора и его частоты.

Структурная схема системы автоматического регулирования частоты тока и распределения активной мощности (рис. 21.6) включает следующие элементы: измерительный элемент регулятора частоты вращения ИЭРЧВ, реагирующий на отклонение частоты вращения от заданного значения; исполнительный орган регулятора частоты вращения ИОРЧВ; измерительный орган частоты тока (датчик частоты) ДЧ; измерительный орган активного тока (датчик активного тока) ДАТ; усилитель У; серводвигатель СД- исполнительный орган устройства регулирования частоты тока и распределения активной мощности;. первичный двигатель ПД; генератор Г.

При нарушении установившегося режима в системе приходят в действие регуляторы частоты вращения и частоты тока.

В процессе регулирования устанавливается новое значение частоты тока, определяемое статизмом характеристик регулирования.

Регулирование частоты тока и активной мощности генераторов осуществляется воздействием на исполнительный орган регулятора частоты вращения первичного двигателя.

Для регулирования частоты вращения и частоты тока применяются регуляторы с астатической 1 и статической 2 характеристиками (рис. 21.7), выражающими зависимость угловой скорости ω и частоты f от значения активной мощности Р.

При регулировании по астатической характеристике частота в системе остается постоянной независимо от величины нагрузки. Регулирование по статической характеристике дает возможность получить заданное распределение активной нагрузки между генераторами, но при этом с увеличением нагрузки частота уменьшается.

Коэффициент статизма характеристики регулирования определяется по формулам:

где ω_x.x, f_x.x— угловая скорость и частота при холостом ходе;

ω_ном , f_ном — угловая скорость и частота при номинальной активной нагрузке генератора.

Регуляторы частоты вращения характеризуются также степенью неравномерности

где n_х.х — частота вращения при холостом ходе;

n_ном— частота вращения при номинальной нагрузке;

n_ср — частота вращения при половинной нагрузке.

Основной способ регулирования частоты вращения — по мгновенному отклонению регулируемого параметра. На этом принципе основаны центробежные регуляторы частоты вращения, широко используемые в судовых электроэнергетических системах.

Устройство регулирования частоты и автоматического распределения активных нагрузок типа УРЧН.

На каждой из генераторных секций ГЭРЩ (рис. 21.8) установлены: датчик активного тока ДАТ и усилитель У; кроме того, на секции генератора Г1 установлен прибор регулирования частоты ПРЧ.

Каждый из датчиков активного тока ДАТ измеряет активную составляющую нагрузки своего генератора. Датчики активного тока через блокирующие контакты генераторных выключателей соединены по дифференциальной схеме. Разностный ток их выходов протекает по обмоткам управления всех магнитных усилителей устройства. Выбор балластного агрегата (т. е. агрегата, регулировочная характеристика которого в процессе распределения остается фиксированной) осуществляется путем выключения питания усилителя выбранного агрегата. Выход каждого усилителя включен на обмотку управления двигателя регулятора частям вращения агрегата.

Устройство типа УРЧН, включенное в систему, работает следующим образом. При равенстве значений активных нагрузок генераторов выходные токи датчиков активного тока равны, ток в цепи дифференциальной связи между датчиками отсутствует, напряжения на выходах усилителей равны нулю и двигатели регуляторов частоты вращения не работают.

При рассогласовании значений активных нагрузок агрегатов в цепи дифференциальной связи протекает ток, определяемый значением разности выходных токов датчиков ДАТ; на выходах усилителей появляется напряжение, полярность которого определяется направлением тока в обмотке управления усилителя У. Включенные к выходам усилителей серводвигатели СД в зависимости от полярности сигналов воздействуют на настройки регуляторов частоты вращения РЧВ, которые соответственно перемещают регулировочные характеристики регуляторов частоты вращения агрегатов в сторону уменьшения величины рассогласования активных нагрузок, чем достигается пропорциональное распределение активной мощности между генераторами.

Схемы уравнительных связей при параллельной работе синхронных генераторов.

Уравнительные связи применяются для равномерного распределения реактивных нагрузок между параллельно работающими синхронными генераторами, имеющими автоматическую систему регулирования напряжения.

Уравнительные связи осуществляют на постоянном и на переменном токе.

Принцип осуществления уравнительных связей на постоянном токе является единым для всех систем регулирования. В этом случае силовые выпрямители параллельно работающих генераторов по существу в свою очередь работают параллельно на общие шины, от которых при одинаковом напряжении питаются обмотки возбуждения генераторов. Если генераторы разной мощности, то в обмотку возбуждения генератора меньшей мощности включается соответствующий уравнительный резистор.

Схемы уравнительных связей на переменном токе для различных систем регулирования имеют специфические особенности.

Литература

Судовой механик: Справочник. Том 3 — Фока А.А. (2016)

Источник