Применение частотных преобразователей

Применение  частотных преобразователей для управления электроприводами

44_preobrazovateli-chastoty-lenz

Частотные преобразователи Vesper

В составе всех современных приводов переменного тока находится частотный преобразователь. Несмотря на то, что существует множество различных алгоритмов управления и аппаратной реализации частотных преобразователей. Большинство производителей применяют типовые решения при их изготовлении. По факту существуют негласные стандарты на структуру частотных преобразователей и функции которые они выполняют.

Выделяют 2 основные цели, которые достигаются с помощью регулируемого электропривода: управление моментом и скоростью работы двигателя. Регулирование момента обусловлено предъявляемыми к приводу техническими требованиями. Для полноценной работы электропривода нужно понижать момент и силу тока двигателя в момент торможения и пуска при приложении нагрузки.

Для некоторых механизмов, которые испытывают мощные перегрузки доходящие до вывода из строя центрального вала, необходимо непрерывно регулировать момент при работе двигателя для того чтобы уменьшить динамические ударные перегрузки.

В большинстве случаев так же необходимо точная подача усилия на рабочем валу, например, в металлобработке, намоточные и шлифовальные станки.

Режимы работы многих механизмов участвующих в производстве требуют плавную регулировку скорости движения рабочего вала, которую можно обеспечить путем мехиническим или электронной регулировкой скорости электропривода.

Методы управления электроприводом
Существуют два основных метода частотного регулирования, которые применяют для регулировки скорости и момента в электроприводе. Это скалярное и векторное управление.

Скалярное управление в асинхронном электроприводе является наиболее распространенным на сегодняшний день. Его применение находится в составе насосов и вентиляторов, компрессорах и прочих механизмах, для которых необходимо держать заданную скорость вращения вала электродвигателя с помощью датчика скорости. В основе скалярного управления лежит принцип изменения частоты и амплитуды питающего напряжения.

Постоянство перегрузочной способности привода независимо от частоты напряжения, можно обеспечить при помощи скалярного управления. Для электроприводов со скалярным управлением существует диапазон регулирования скорости вращения ротора относительно момента сопротивления. Максимальное значение достигает 1:10. Этот метод управления достаточно прост в работе, но здесь есть два существенных недостатка.

Прежде всего без датчика скорости установленного на валу двигателя невозможно будет отрегулировать скорость вращения ротора, так как есть прямая зависимость от нагрузки. Датчик скорости безусловно решает этот вопрос, но остаётся еще один: нет возможности отрегулировать момент на самом роторе (валу). Конечно существуют датчики момента, но их стоимость сравнима или выше стоимости самого электропривода.

Даже при установки датчика момента управление двигателем получается довольно инерционным. А самое главное что регулировать оба параметра невозможно, поэтому надо выбирать величину момента наиболее оптимальную для данного производственного процесса.
Инженеры компании Siemens в 1971году изобрели метод векторного управления. Наработки электроприводов с векторным управлением требовали в составе двигателя встроенный датчик потока. Это сильно ограничивало область применения этих приводов.

На сегодняшний день в систему управления двигателем программируется математическая модель двигателя, с помощью которой можно рассчитать момент и скорость вращения вала электродвигателя. Необходимостью для данного процесса являются датчики фаз тока статора электродвигателя. Благодаря специфической структуре системы управления появляется возможность безынерционного регулирования самых важных параметров: момент и скорость вращения вала.

В современном производстве сформировались два основных класса систем векторного управления: бездатчиковые и системы обратной связи. Выбор той или иной системы презде всего зависит от области дальнейшего применения привода. При малых диапазонах регулировки скорости и невысоких требованиях к точности поддержания менее одного процента применяют бездатчиковое векторное управление.

Однако для изменения скорости вращения в широком диапазоне 1:10000 и более, а также предъявляются высокие требования к поддержанию заданной скорости вращения вала при низкой частоте (менее 1Гц) или необходимо точное позиционирование рабочего вала, применяется векторный метод управления с обратной связью.

Преимущества векторного управления выражаются в следующем:
– При отсутствии датчика скорости достигается высокая точность регулировки скорости
– Даже на малых частотах плавное вращение вала
– Возможность при нулевой скорости задать обеспечить нужный момент
– Быстрая ответная реакция при изменении и скачках нагрузки, скорость держится постоянной
Уменьшение потерь на нагрев и скачки, приводит в повышению общего КПД

При всех этих преимуществах существуют и очевидные недостатки. Это сложный математический просчет и знание всех параметров электродвигателя. И еще при векторном управлении скорость колеблется в большем диапазоне, чем при скалярном управлении при работе на постоянной нагрузке. А например, в групповом электроприводе где задействовано несколько двигателей от единственного преобразователя напряжения, возможно использование только скалярного управления.  В наше врея проще купить частотный преобразователь, чем искать другие методы, так как потраченные деньги возвращаются в течении года благодаря уменьшению употребления электричества.

Advertisements

Использование частотного регулирования для асинхронных электродвигателей.

Использование частотного регулирования для асинхронных электродвигателей.

95123

Благодаря китайцам, дешевые и неприхотливые асинхронные электродвигатели активно захватили непривычные для себя ниши. Увеличение области применения асинхронных электродвигателей достигается за счет эффективного контроля числа оборотов. Есть 3 метода регулировки частоты вращения вала асинхронного движка:

1. Управление скольжением.
Недостаток в малом диапазоне регулировок.

2. Управление числом пар полюсов.
Недостаток в том, что скорость регулируется только ступенчато.

3. Управление частотой питающего напряжения.
Частотное регулирование по сути лишено недостатков, присущих первым двум способам.

Было создано огромное количество частотных преобразователей надежных и долговечных, а так же недорогих в эксплуатации, появилась возможность использовать асинхронные электродвигатели в абсолютно новых сферах. Еще важный момент внедрения частотного регулирования для электродвигателей заключается в том, что стало возможно увеличить эффективность применения асинхронных электродвигателей в тех областях, где они использовались.

К новым областям применения для асинхронных электродвигателей, благодаря регулированию частоты, можно отнести машиностроение. В последнее десятилетие стало выгодным осуществлять замену двигателей на станках постоянного тока на асинхронные электродвигатели с регулировкой частоты. При этом регулируемый комплект можно поставить в качестве приводов основного движения, и как привода подачи. За счет большого диапазона регулировки и качественной настройки момента удается добиться нужного качества обработки поверхности.

В приводах подъемных механизмов, таких как кранов и лифтов, привод регулировки частоты обеспечивает не только проведение подъема, но и опускания в нужных скоростных режимах. Современные крановые привода поддерживают режим рекуперации электроэнергии, что существенно снижает расходы на электроэнергию.

В насосах и вентиляторах асинхронные электродвигатели применяются давно. Использование регулировки частоты вносит новые возможности для увеличения эффективности эксплуатации насосов и вентиляторов с асинхронными двигателями. В первую очередь эффект энергосбережения благодаря использованию частотных преобразователей для управления оборотами.

Частотное управление так же даёт и другие выгоды. Например, ощутимо снижаются потери воды в системах водоснабжения. При проектировании новых систем водоснабжения применение частотника для регулировки двигателя, существенно снижает общие затраты на постойку. Благодаря этому, можно сказать, что регулировка частоты двигателя дает существенную выгоду.

В будущем при совершенствовании этого метода контроля оборотов электродвигателей, возможно найдуться новые аспекты их применения и экономической целесообразности.

Необходимость установки преобразователя частоты на двигатель.

Асинхронные электродвигатели очень удобны и просты в эксплуатации. Еще огромное преимущество заключается в их низкой стоимости. Но для их широкого внедрения в производстве и промышленности есть существенное ограничение. Дело заключается в частоте оборотов асинхронного электродвигателя, которые очень трудно регулируются. В последнее время большое распространения получили частотные преобразователи для регулировки оборотов электродвигателей. Рассмотрим случаи, в которых целесообразней применять асинхронный двигатель вместе с частотным преобразователем. Известно, что установка преобразователя частоты может привести к ряду положительных эффектов.

Вот некоторые из них:
– уменьшение эксплуатационных расходов за счет сбережения электроэнергии;
– увеличение качества технологического процесса;
– сокращение расходов на эксплуатацию за счет снижения объемов работ по техническому обслуживанию.

Какие системы целесообразно оборудовать частотными преобразователями?
К самым распространенным механизмам, на которые устанавливаются асинхронные электродвигатели с регулировкой частоты, относятся вентиляторы и насосы. При этом реально существенно сокращаются расходы за счет сбережения электроэнергии. Второй по значимости может быть установка преобразователя частоты на электродвигатели техно оборудования, такие как мясорубки, транспортеры и т.д.

Огромной выгодой является повышение качества технологического процесса. В последнее время стало очень популярна установка частотных преобразователей станки и станочное оборудование. До этого станки делали преимущественно с двигателями постоянного тока. Только они могли обеспечить нужную для качественной работы диапазон регулировки скорости.

В наше время, более технически продвинутые производители преобразователей частоты производят устройства, способные конкурировать с постоянниками по диапазону регулировки скорости и качеству поддержания момента. В итоге можно сделать вывод, что частотный преобразователь лучше всего монтировать на оборудование в случае, если регулировка оборотов двигателя приведёт к явным выгодам и экономии.

Экономические преимущества обусловлены следующими факторами:
– энергосбережением;
– уменьшением расходов на ремонт и обслуживание;
– рост качества тех.процесса.

Преобразователи частоты для регулировки скорости асинхронных электродвигателей.
Асинхронные электродвигатели из-за своей дешевизны и несложной эксплуатации очень выгодны для использования в производстве. Их широкое применение было долгое время ограниченно из-за того, что скорость электродвигателей практически не регулировалась. Были опробованы разные методы по регулировке частоты вращения вала для асинхронных электродвигателей. Например, есть асинхронные двигатели с коробкой передач.

Были придуманы специальные муфты, благодаря которым стало возможным изменять параметры выходного вала асинхронного двигателя. Все эти методы имели существенные ограничения. Это длилось до того момента, пока не создали стабильно работающий преобразователь частоты. Использование преобразователей частоты для регулировки скорости асинхронных электродвигателей открыло большие перспективы для их применения в промышленности.

Как преобразователи частоты изменяют скорость двигателей?
В общей теории асинхронные электродвигатели регулируют скорость вращения через сл.отношение:
n = n0*(1-S) = (60f/p)*(1-S)
где n – обороты электродвигателя, S – скольжение асинхронного двигателя, f – частота питающей сети, p – число пар полюсов двигателя.

Рассмотрев это соотношение можно обеспечить три возможных варианта регулировки скорости двигателя:
1. изменением скольжения;
2. изменением количества пар полюсов;
3. изменением частоты электропитания.

Первые два метода сильно ограничены по качеству и по глубине регулировки оборотов двигателя. Последний способ подходит наиболее всего, т.к. обеспечивает широкий диапазон регулировки скорости вращения вала.

Преобразователь частоты функционирует по следующему принципу:
1. Выпрямитель преобразует напряжение в питающей сети с переменного на постоянное.
2. Постоянное напряжение проходит фильтр звена постоянного тока.
3. С помощью трехфазного преобразователя постоянное напряжение преобразуется в переменное с заданной частотой.

Современные преобразователи частоты могут менять частоту в пределах от 0 до 400 Гц. В некоторых моделях частотников верхняя граница находится на отметке 1000 Гц. Для самых распространенных моделей преобразователей частоты для насосов и вентиляторов, верхняя граница, находится на отметке 120 Гц. Как повлияло применение преобразователей частоты на работу асинхронных электродвигателей?

До того, как частотные преобразователи получили широкое распространение, асинхронные двигатели использовали только в тех случаях, где не было необходимости регулировать обороты двигателя. Благодаря тому, что частотники получили распространение, расширилась и область применения асинхронных двигателей. Стало возможно использовать их на насосах и вентиляторах, в лифтах и даже в промышленном оборудовании.

Частотный преобразователь Hyundai

Частотный преобразователь для асинхронного электродвигателя.

Частотный преобразователь для асинхронного электродвигателя.

1894964

При подборе частотного преобразователя прежде всего нужно определить тип нагрузки на валу двигателя и режим работы электропривода. Чтобы правильно подобрать привод, необходимо выделить некоторые типы устройств: станки, вентиляторы, насосы, транспортеры, фасовочное оборудование. Конечно это далеко не полный список устройств, его можно дополнить. Для приведенных выше приборов проведем анализ специфики применения преобразователей частоты.

Насосы.
Частотный привод можно применять для насосов, которые работают на сеть с переменным гидравлическим сопротивлением. Чаще всего такие сети можно встретить в системах водоснабжения. В наше время прослеживается тенденция к энергосбережению, и в системах отопления строятся сети с переменным сопротивлением. Осуществляется это путем установки вентилей на отопительные радиаторы. Использовать насосы с частотным преобразователем для регулирования расхода воды в сетях с переменным сопротивлением экономически более выгодней чем, например, регулировать их с помощью дросселя.

Насос работает в нескольких режимах: кратковременный, длительный и т.д. Величина стартового момента на валу, например, для глубинных насосов в случае попадания песка и ила может быть нужен сильный пусковой момент. Характеристика номинальных токов и мощности двигателя. Если для низкооборотных насосов номинальные токи достаточно высоки, то есть смысл выбрать частотный преобразователь вышепо мощности чем мощность самого электродвигателя.

Вентиляторы.

Частотные преобразователи применяют для вентиляторов, которые обеспечивают переменный расход воздуха. В целом вентиляторы работают так же как и насосы, но здесь стоит выделить еще несколько моментов:
Режим разгона и торможения вентилятора, требуемый для обеспечения его правильной работы по заданным характеристикам. В этом случае можно дооснастить привод тормозными устройствами и сопротивлениями.

Транспортеры.
Оснащение приводов транспортеров частотными преобразователями целесообразно и для энергосбережения, и для обеспечения различных технологических режимов работы, например, режим осмотра ленты. При подборе ПЧ для транспортера нужно обратить внимание на следующие величины:

Мощность и ток двигателя. Момент на валу двигателя при запуске транспортера. Типы транспортеров: с одним электродвигателем или с несколькими. Для транспортеров с более чем одним двигателем, скорее всего, понадобиться отладка работы двигателей по моменту. Многие частотные преобразователи не имеют данной функции.

Упаковочно-фасовочное оборудование.
Для устройств данного типа применение преобразователей частоты обусловлено не только возможностью снизить потребление энергии, но и необходимостью поддержания нужных режимов работы. Для эффективного применения обращают внимание на следующие характеристики: точность позиционирования, совместная работа приводов в составе оборудования, режимы разгона и торможения, инерционность механической части оборудования. Список можно расширять в зависимости от конкретного оборудования.

Станки
Это очень специфический класс оборудования, здесь следует выделить два момента: необходимость поддержания постоянного момента на валу и точность позиционирования. Рассмотрим технические характеристики частотных преобразователей и обратим внимание на следующие моменты:

Мощность
При выборе привода для конкретной цели есть смысл сначала обратить внимание на номинальный ток двигателя и выбирать преобразователи частоты исходя из данного параметра.

Имеет смысл протестировать все режимы работы электродвигателя с перегрузкой и обратить внимание на способность инверторов к перегрузке. Она может меняться в пределах от 120 до 200% и указывается для промежутка времени, в течение которого преобразователь частоты может сохранять свою работоспособность.

При выборе частотных преобразователей для предприятий имеет смысл обращать внимание прежде всего на модели приводов с резервированием по мощности. Они обеспечивают заданные вольт-частотные характеристики на разных номинальных мощностях. Благодаря этому удается достичь высокой степени резервирования оборудования, что ведет к повышению надежности для всего завода или предприятия.

Для лучшей унификации следует выбирать модели частотников, мощности которых перекрывают все типоразмеры двигателей, которые будут оснащать инверторами. Всем характеристикам, которые были перечислены удовлетворяют наиболее дорогие модели частотных преобразователей. Надо понимать, что экономия на этапе закупки чаще всего ведет к увеличению эксплуатационных расходов.

Качество напряжения и питания в сети
Выбирая частотный преобразователь нужно уделить внимание качеству сетей энергоснабжения на заводе. Если электрические сети низкого качества, или имеют потребителей, которые дают высокие скачки напряжения, то необходимо выбрать преобразователь с максимально допустимыми значениями напряжения питания. Еще нужно обратить внимание на сдвиги по фазе в электрической сети.

Диапазон регулировки частоты вращения вала электродвигателя.
Для разных моделей двигателей в зависимости от цели, частоты вращения изменяется в пределах от 0,1 до 1000 Гц. При выборе преобразователя частоты необходимо убедиться, что его диапазон регулировки частоты перекрывает диапазон, необходимый для поставленной цели.

Количество in/out.
При подборе частотника следует определить нужное число сигналов в системе управления электроприводом. Исходя из этих данных, вычислить нужное число и тип входов/выходов. Нужно учесть, что некоторые частотные преобразователи поддерживают расширение количества управляющих сигналов за счет дополнительных плат.

Перечислив общие технические вопросы, которые встают при выборе частотного преобразователя, перейдем к выводам: при выборе частотника нужно обращать внимание прежде всего на номинальный ток электродвигателя, и только потом на его мощность.

Если частотник будет внедрен в производство, то можно выбрать такую модель, которая обеспечит максимальное резервирование оборудования, чем повысит общую надежность завода или предприятия. Перед выбором частотного преобразователя нужно чётко знать в каком режиме будет эксплуатироваться электродвигатель.

Частотные преобразователи Веспер