Двигатели с частотным управлением принцип работы

Базовые сведения о частотно-регулируемом электроприводе

Во всех отраслях народного хозяйства, в быту, науке и во многих других сферах человеческой деятельности используются разнообразные технические устройства, предназначенные для реализации технологических процессов с целью выполнения социально-практического заказа, например, получения конечного полезного продукта. Для приведения в движение рабочих органов этих технических устройств и предназначена машина-двигатель, или привод, в качестве которого наиболее часто применяется электрический двигатель.

В общем случае под электроприводом понимают электромеханическую систему, приводящую в движение рабочие органы технического устройства и состоящую из передаточного, электродвигательного, преобразовательного и управляющего устройств. Электропривод, который в качестве преобразовательного устройства использует преобразователь частоты, называется частотно-регулируемый привод (ЧРП).

Принцип частотного регулирования, при котором частота и напряжение питания двигателя могут изменяться в соответствии с установленным соотношением независимо друг от друга, является наиболее эффективным способом управления скоростью асинхронных двигателей. Реализация такого способа определяется тем, что скорость вращающегося магнитного поля статора w₀ согласно выражению (1) пропорциональна частоте источника питания f. Следовательно, изменяя частоту f, можно плавно и в широких пределах регулировать скорость вращения ротора. При этом скольжение s, определяемое по формуле (2), изменяется незначительно и, следовательно, потери, пропорциональные величине скольжения, также изменяются незначительно. Это важное преимущество частотного управления асинхронным двигателем позволяет реализовать энергосберегающие технологии как для двигателей с фазным ротором, так и с короткозамкнутым.

Из изложенного вытекает, что для частотно-регулируемого асинхронного привода требуется прежде всего источник переменного тока регулируемой частоты. Использование для этих целей синхронных генераторов с регулируемой скоростью вращения не оправдывается ни техническими, ни экономическими соображениями. Только при появлении статических полупроводниковых преобразователей возникла реальная возможность создания частотно-регулируемых промышленных электроприводов. Их основу составляют преобразователь частоты и асинхронный двигатель (ПЧ-АД).

Основной выходной координатой силового привода является электромагнитный момент. При частотном управлении его значение зависит от частоты и напряжения источника переменного тока (см. уравнение (3)). Поэтому наличие двух независимых каналов управления дает возможность реализовать в системах ПЧ-АД различные законы регулирования с скорости. Если должна сохраняться постоянной перегрузочная способность двигателя, то в первом приближении частотный закон управления имеет вид (9).

Управление двигателем в соответствии с соотношением (9) при ненасыщенной магнитной системе позволяет сохранять практически неизменным коэффициент мощности и абсолютное скольжение электропривода, при этом его КПД не зависит от скорости. В этом и заключается основное достоинство частотного управления.

В зависимости от видов нагрузки закон управления напряжением и частотой имеет различные формы. Например, при постоянном моменте нагрузки (Mc=const) соотношение (9) приобретает вид U/f=const; при постоянной мощности (Мс=кw -1 ) — U²/f=const; при «вентиляторной» нагрузке (Мс= кw -2 ) — U/f²=const. Механические характеристики привода ПЧ-АД, сохраняющего постоянство перегрузочной способности двигателя, приведены на рис. 1.

Рис.1. Механические характеристики привода ПЧ-АД: а) при постоянном моменте; б) при постоянной мощности; в) при вентиляторной нагрузке.

Таким образом, для того, чтобы реализовать принцип частотного управления асинхронным двигателем, необходимо в соответствии с выражением (9) и с учетом вида нагрузки управлять напряжением, подводимым к статору двигателя, взаимосвязано с изменением частоты питания.

Функцию преобразования параметров электрической энергии питающей сети к таким значениям, которые необходимы для нормальной работы приводного двигателя, а также функцию дозирования величины электрической энергии, подводимой к двигателю для регулирования его скорости и выполняет преобразовательное устройство.

В системах регулируемого электропривода находят применение все основные типы преобразовательных устройств: выпрямители, преобразующие переменное напряжение в постоянное; инверторы, осуществляющие обратное выпрямителям преобразование энергии; непосредственные преобразователи частоты; регуляторы переменного и постоянного напряжения, обеспечивающие преобразование уровня напряжения без изменения его частоты.

Эффективность применения и перспективы дальнейшего использования тех или иных преобразовательных устройств в значительной степени определяется совершенством свойств силовых полупроводниковых приборов.

Следует учитывать главную особенность силовых преобразователей электрической энергии: независимо от типа и свойств, применяемых силовых полупроводниковых приборов они должны использоваться только в ключевых режимах работы, для которых свойственны два устойчивых состояния полного включения (максимальная электрическая проводимость) и полного выключения (минимальная проводимость). Исключением являются только динамические процессы, связанные с переходами из одного устойчивого состояния в другое. В состояниях ключевого режима потери активной мощности P=UI в полупроводниковых приборах малы, поскольку один из сомножителей этого произведения (ток I или напряжение U) , имеет минимально возможное значение. Это и обеспечивает высокий КПД полупроводниковых преобразователей электрической энергии.

Наиболее распространенным типом преобразователей частоты является двухступенчатое преобразовательное устройство, выполненное на основе выпрямителя трехфазного переменного напряжения сети и автономного инвертора напряжения (АИН), преобразующего выпрямленное напряжение в переменное трехфазное с регулируемой частотой и амплитудой. Несмотря на двухкратность преобразования энергии и обусловленное этим некоторое снижение КПД, такие преобразователи частоты (с промежуточным звеном постоянного тока) получили наибольшее распространение в различных типах электроустановок. В отличие от АИТ, содержащего на своем входе в цепи постоянного тока индуктивность, обязательным элементом на входе АИН является параллельно включенная емкость. Поэтому в результате подключений полупроводниковыми ключами этой емкости к выходным зажимам АИН осуществляется формирование кривых напряжения нагрузки. При использовании неуправляемого выпрямителя обеспечивается высокое значение коэффициента мощности на входе, а регулирование величины выходного напряжения может осуществляться методом широтноимпульсной модуляции (ШИМ).

Метод двуполярной ШИМ является частным случаем ШИР, при котором соотношение ширины импульсов противоположной полярности на протяжении каждой полуволны выходного напряжения изменяется таким образом, чтобы среднее значение каждой пары импульсов за период их частоты следования (частоты ШИМ) равнялось мгновенному значению основной гармоники выходного напряжения в середине интервала усреднения. Кривая выходного напряжения (однофазного) АИН для такой двуполярной ШИМ показана на рис.2.

Рис.2. Форма выходного напряжения однофазного АИН с ШИМ U(1)аин — основная гармоника.

При формировании выходных напряжений трехфазного АИН каждая из фаз нагрузки в любой момент времени оказывается подключенной к одному из двух полюсов входного постоянного напряжения. Поэтому в момент подключения данной фазы к одному полюсу возможны три комбинации подключений двух других фаз:
1) обе фазы подключены к тому же полюсу;
2) одна из фаз подключена к тому же полюсу, а другая к противоположному;
3) обе фазы подключены к противоположному полюсу напряжения. Следовательно, мгновенное напряжение каждой фазы трехфазного АИН может принимать значения, соответствующие пяти уровням. Пример кривой выходного напряжения трехфазного АИН с ШИМ показан на рис. 3. Частота высших гармонических составляющих выходного напряжения определяется частотой ШИМ, которая при использовании в АИН современных транзисторов типа IGBT может без заметного снижения КПД преобразователя повышена до величины более 4кГц. Поэтому, несмотря на значительный уровень амплитуды высших гармоник напряжения АИН, токи ак тивно-индуктивной нагрузки (например, асинхронный двигатель) практически синусоидальны.

Рис.3. Форма выходного напряжения одной фазы трехфазного АИН с ШИМ.

Кратко остановимся на тормозных режимах частотно-регулируемого электропривода. Этот режим может быть осуществлен по принципу динамического торможения при питании обмоток статора двигателя постоянным током от АИН. В случаях, когда эффективность такого торможения оказывается недостаточной, может быть использован принцип генераторного торможения с передачей активной мощности через АИН в цепь постоянного тока преобразователя частоты. Поскольку передача энергии в сеть через неуправляемый выпрямитель невозможна, для предотвращения недопустимого повышения напряжения на емкости фильтра постоянного тока ее разряжают с помощью транзисторного импульсного регулятора на специальный тормозной резистор.

Рис.4. Частотно регулируемый электропривод: В- выпрямитель; ф-фильтр; АИН— автономный инвертор напряжения; УУП- устройство управления преобразователем частоты.

Таким образом, анализ состояния вопроса показал, что оптимальную по энергетическим показателям и по регулировочным и механическим характеристикам структуру современного частотно-регулируемого асинхронного электропривода следует выполнять на основе преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока (рис. 4), состоящего из выпрямителя с индуктивно-емкостным фильтром постоянного напряжения и автономного инвертора напряжения, построенного на силовых транзисторах типа IGBT и формирующего основную гармонику выходного напряжения методом широтно-импульсной модуляции. Регулируемый электропривод, силовая часть которого базируется на структуре, представленной на рис. 4, обладает целым рядом достоинств: широким диапазоном регулирования (D=30. 100 и более); высоким коэффициентом полезного действия (без учета двигателя он достигает величины 0,98); высоким коэффициентом мощности (до 0,98); высокой надежностью и компактностью преобразователя и др.

В статье использованы выдержки из каталога продукции и применений компании Триол. Материал взят из свободных источников.

Принцип действия частотного управления асинхронным двигателем

Чтобы понять способ частотного управления асинхронным двигателем, а конкретно его угловой скоростью, при помощи регулирования частоты подводимого напряжения, необходимо рассмотреть формулу зависимости синхронной частоты вращения двигателя от частоты подводимого напряжения f1 и числа пар полюсов двигателя рn. Из формулы видно, что скорость вращения электромагнитного поля статора прямо пропорциональна частоте питающего напряжения.

По этому принципу возможно построение широкорегулируемых электроприводов с жесткими механическими характеристиками. Важным преимуществом частотного управления асинхронным двигателем являются благоприятные энергетические показатели. Это объясняется тем, что двигатель с частотным управлением работает при малых скольжениях, что обусловливает малые потери и высокий КПД во всем диапазоне регулирования скорости. Однако при изменении частоты возникает необходимость одновременного регулирования напряжения, подводимого к статору. С изменением частоты питающего напряжения изменяется и величина потока двигателя Ф1, поэтому одновременно с изменением частоты питающего напряжения необходимо регулировать и его амплитуду.

Необходимость уменьшения напряжения при уменьшении частоты питающего напряжения возникает из за того, что с уменьшением сопротивления обмоток двигателя, ток намагничивания возрастает. Это приводит к тому, что магнитопровод двигателя насыщается, что ведет к перегреву двигателя. При частотном управлении двигателем, необходимо следить, чтобы скольжение двигателя было минимальным.

В настоящее время в качестве преобразователей частоты используются полупроводниковые статические преобразователи частоты. Если пренебрегать величиной активного сопротивления статора (r1=0), то, для того чтобы при частотном управлении (уменьшении частоты вниз от номинальной) сохранять критический момент постоянным, нужно величину напряжения изменять пропорционально изменению частоты.

Механические характеристики, соответствующие частотному регулированию при выполнении соотношения показаны на рисунке сплошными линиями.

Для того чтобы реализовать принцип частотного управления двигателем, необходимо управлять напряжением и током в статоре асинхронной машины при изменении частоты питания. Поэтому в разомкнутых системах ПЧ — АД не удается достичь большого диапазона регулирования скорости, так как в сильной степени проявляется статизм (влияние изменений момента нагрузки) на механические характеристики привода. Кроме того, при снижении скорости может возникать область статической неустойчивости, которая затрудняет практическое использование таких приводов. Существует несколько алгоритмов одновременного изменения частоты и напряжения статора в статическом режиме. Чаще всего стремятся сохранить постоянной перегрузочную способность двигателя, т.е. сделать так, чтобы при всех режимах отношение максимального момента к моменту сил сопротивления оставалось постоянным:

Таким образом, напряжение необходимо регулировать не только в функции частоты, но и в функции нагрузки. Критический момент трехфазного АД:

где ω0- синхронная скорость; Rj — активное фазное сопротивление обмотки статора; XK=XJ+X’2 — индуктивное фазное сопротивление к.з. Пренебрегая величиной Ri по сравнению с Xk и учитывая, что Xk=2f1Lf, можно получить

Следовательно, критический момент прямо пропорционален квадрату напряжения и обратно пропорционален квадрату частоты, поэтому

Таким образом, для сохранения постоянной перегрузочной способности необходимо изменять напряжение пропорционально частоте и корню квадратному от момента нагрузки. Этот общий принцип регулирования может быть уточнен для конкретных режимов работы механизма.

Частотные преобразователи тока

• Классификация преобразователей частоты для асинхронного двигателя
• Как работает преобразователь частоты для асинхронного двигателя?
• Где применяются приборы?
• Схема подключения частотников

Мощные асинхронные двигатели активно используются во многих промышленных отраслях. Для обеспечения плавного запуска таких механизмов применяются частотные преобразователи тока. Эти приборы осуществляют контроль показателей пусковых токов и преобразуют входные сетевые параметры в выходные.

Классификация преобразователей частоты для асинхронного двигателя

Различают несколько разновидностей таких устройств.

1. По типу напряжения частотники подразделяются на:
   • однофазные;
   • трехфазные;
   • высоковольтные.
2. В зависимости от области использования устройства делятся на:
   • Механизмы, предназначенные для эксплуатации на промышленных предприятиях. Мощность частотников этого вида достигает 315 кВт.
   • Устройства с векторным управлением. Их мощность может составлять до 500 кВт.
   • Частотные преобразователи тока, предназначенные для управления приборами, которые имеют насосно-вентиляторный тип нагрузки.
   • Устройства, используемые на подъемных кранах и прочих механизмах такого типа.
   • Преобразователи частоты, эксплуатируемые в условиях взрывоопасности.
   • Устройства, которые устанавливаются непосредственно на двигатель.

Как работает преобразователь частоты для асинхронного двигателя?

В основе устройства — инвертор с двойным преобразованием. Он функционирует следующим образом:

• Вначале осуществляется прохождение входного переменного тока с 380 или 220 Вольт через диодный мост, после чего происходит его выпрямление.
• Затем производится его подача на группу конденсаторов. Там он сглаживается и фильтруется.
• После этого ток переходит на управляющие микросхемы и мостовые ключи. Там формируется трехфазная широтно-импульсная последовательность с определенными параметрами.
• На заключительном этапе под воздействием индуктивности обмоток осуществляется преобразование созданных импульсов прямоугольной формы в синусоидальное напряжение.

Схематично принцип работы устройства представлен на картинке:

Где применяются приборы?

Область использования частотных преобразователей весьма обширна. Они применяются в промышленных приборах, для корректной работы которых требуется менять скорость вращения однофазного и трехфазного двигателя, предпринимать меры по борьбе с амплитудными токами и т. д. Среди таких механизмов можно выделить насосы (снижается энергопотребление до 60%, уменьшаются теплопотери до 10%, минимизируется количество аварийных ситуаций на трубопроводах), вентиляторы (уменьшаются энерготраты), транспортеры (обеспечивается плавный запуск устройств, что увеличивать их эксплуатационный ресурс) и т. д. Использование частотников оправдано в работе лифтового оборудования и подъемной техники. В данном случае преобразователи позволяют снизить пусковые и остановочные перегрузки.

Схема подключения частотников

Настройка прибора в данном случае означает подведение кабелей к видимым контактам электродвигателя. Соединение определяется характером напряжения, которое вырабатывается преобразователем частоты. Если сеть трехфазная, осуществляется параллельное подсоединение или схема «звезда». В однофазных сетях используется схема «треугольник».

Пульт управления устройством размещается в наиболее удобном пользователю месте. Перед выполнением подключения рычаг необходимо перевести в положение «выключено». Затем загорается лампочка-индикатор. Для запуска устройства необходимо нажать на пусковую кнопку. Чтобы обороты набирались плавно, нужно аккуратно повернуть рукоятку пульта.

Пример подключения устройства вы можете увидеть на этом видео:

В нашей компании вы можете купить преобразователь частоты для асинхронного двигателя по стоимости, не включающей наценок посредников. Мы открыты для сотрудничества с оптовыми покупателями и предоставляем крупным заказчикам индивидуальные скидки и бесплатную доставку.

Чтобы уточнить цену частотного преобразователя тока малой мощности для однофазного двигателя, обращайтесь по телефонам: +7 (495) 799-8200 (многоканальный для Москвы и МО), +7 (800) 600-4909 (бесплатный для всех регионов РФ).

Цены и другая информация, указанная на сайте, носит ознакомительный характер. Для ее уточнения свяжитесь с нашими специалистами любым удобным для Вас способом

Статьи

Тематика: Полезная информация

Преобразователь частоты для электродвигателя

1. Введение
2. Принцип частотного регулирования
3. Устройство преобразователя частоты
4. Применение частотных преобразователей

Введение

Существует немало технологических операций, нуждающихся в регулировании угловых скоростей приводных валов механизмов. Традиционно эта задача решалась двумя путями:

• применением механических многоскоростных редукторов для ступенчатого регулирования скорости, либо вариаторов для плавного регулирования;
• использованием электродвигателей постоянного тока совместно с регуляторами уровня питающего напряжения.

Регулирование угловой скорости ротора, основанное на изменении передаточного числа механической трансмиссии, характеризуется снижением общего КПД передачи. Это объясняется высоким уровнем механических потерь в редукторе, подверженном к тому же, интенсивному износу.

Двигатели постоянного тока представляют собой достаточно сложные и дорогие машины. Наличие коллекторного механизма со щёточным аппаратом, предъявляет повышенные требования к их обслуживанию и снижает надёжность.

Компания Овердрайв-Электро предлагает частотно-регулируемые приводы ABB со склада в Минске:

Принцип частотного регулирования

В основе частотного регулирования двигателя переменного тока лежит взаимосвязь угловой скорости, с которой вращается поле статора с частотой напряжения питания. Это означает, что изменение частотной характеристики напряжения статора приводит к пропорциональному изменению угловой скорости вращающегося ротора. Угловая скорость, или частота вращающегося поля статора асинхронного электрического двигателя выражается следующим соотношением:

где f₁ — значение частоты напряжения, питающего обмотку статора, р — количество полюсных пар статорной обмотки.

Из приведенной формулы следует, что совершая изменение значения частоты подводимого к двигателю напряжения, можно плавно изменять значение угловой скорости (частоты) вращающегося поля статора, что приведёт к изменению частоты вращения ротора электродвигателя.

Данный принцип позволяет использовать в регулируемых приводах наиболее технологичные, простые и надёжные асинхронные двигатели, имеющие короткозамкнутый ротор. Благодаря высоким технико-экономическим показателям систем частотного регулирования происходит их активное внедрение в сферу промышленной и бытовой техники.

Устройство преобразователя частоты.

На рисунке 1 показана структурная схема, иллюстрирующая устройство преобразователя частоты (ПЧ).

Рис.1 Преобразователь частоты

Сетевое питающее напряжение промышленной частоты 50 герц поступает на вход выпрямителя (В), представляющего собой обычную мостовую диодную сборку. На выходе выпрямителя установлен Г — образный LC фильтр, выполняющий функции сглаживания пульсаций, которые присутствуют в выпрямленном напряжении.

Основной частью преобразователя является инвертор (И), осуществляющий преобразование постоянного напряжения в трёхфазную систему напряжений синусоидальной формы с регулируемой частотой и амплитудой. Ключевыми элементами инвертора служат мощные IGBT транзисторы, которые коммутируются сигналами, генерируемыми в системе импульсно — фазового управления. Система управления транзисторами, формирующими выходное напряжение, которое поступает на статор асинхронного двигателя (АД), основана на принципе ШИМ — широтно-импульсной модуляции. Сигнал управления представляет собой чередование импульсов напряжения с изменяемой скважностью.

Примечание. Скважность — это оценочная характеристика периодического импульсного сигнала, рассчитываемая как отношение периода чередования сигнала к длительности импульса. То есть, величина скважности показывает, какую часть периода занимают импульсы. При изменении скважности изменяется соотношение длительностей импульсов и промежутков между ними.

Следует обратить внимание на одну интересную особенность частотных преобразователей. На рисунке 1 показан преобразователь, подключенный к трёхфазной сети. Существуют модели преобразователей, питающихся от однофазной сети, при этом, на выходе инвертора формируется всё та же трёхфазная система. Разница между трёхфазными и однофазными частотными преобразователями заключается только в качестве напряжения на выходе выпрямителя. Трёхфазный выпрямительный мост создаёт меньший уровень пульсаций напряжения, по этой причине, однофазное выпрямление предъявляет повышенные требования к параметрам LC фильтра.

Применение частотных преобразователей

Сегодня трудно найти область, где не нашли своего применения частотно-регулируемые приводы асинхронных электродвигателей.

На крупных блочных электрических станциях частотные регуляторы осуществляют регулирование подачи топлива в котлы, гибко адаптируя работу энергоблоков к изменяющемуся режиму работы энергосистемы. В этом качестве частотные приводы функционируют как исполнительные звенья автоматизированной системы управления технологическими процессами электростанции.

Частотное регулирование приводов мощных вентиляторов промышленных систем позволяет автоматически поддерживать оптимальные условия их работы при изменении внутренних и внешних факторов, экономя при этом электрическую энергию и продлевая ресурс оборудования.

Большую финансовую экономию принесло внедрение частотных регуляторов в городские системы водоснабжения. Рабочее давление в водоводах питьевого назначения ранее поддерживалось в основном путём оперирования задвижками. Это приводило к неэффективной работе насосного оборудования, повышенному расходу энергии и износу. Насосы, оснащённые частотным приводом способны гибко реагировать на изменение расхода воды в системе и изменяя частоту вращения поддерживать необходимое давление.

Применение частотных регуляторов не обошло стороной и область бытовой электротехники. Все современные стиральные машины и пылесосы оснащены частотным приводом. Это позволило отказаться от редукторов и ремённых приводов и повысить экономичность работы домашних агрегатов.