Что такое частотный преобразователь, как он работает и для чего нужен

  • Определение
  • Оборудование
  • Типы преобразователей частоты и области их применения
  • Технология управления
  • Количество ступеней
  • Схема подключения

Определение

По определению преобразователь частоты — это электронный преобразователь мощности для изменения частоты переменного тока. Но в зависимости от версии он также меняет уровень напряжения и количество фаз. Возможно, вам непонятно, для чего вам нужно такое устройство, но мы постараемся рассказать вам простым языком.



Частота вращения вала синхронных и асинхронных (AD) двигателей зависит от скорости вращения магнитного потока статора и определяется по формуле

где n — число оборотов вала AD, p — количество пар полюсов, s — скольжение, f — частота переменного тока (для ВЧ — 50 Гц).

Проще говоря, скорость вращения ротора зависит от частоты и количества пар полюсов. Количество пар полюсов определяется конструкцией обмотки статора, а частота сети постоянна. Следовательно, регулировать частоту вращения мы можем только с помощью преобразователей.

Устройство

Имея это в виду, переформулируем ответ на вопрос, что это такое:

Преобразователь частоты — это электронное устройство для изменения частоты переменного тока, а следовательно, и скорости вращения ротора асинхронной (и синхронной) электрической машины.

Ниже приведено условное графическое обозначение по ГОСТ 2.737-68:

Он называется электронным, потому что основан на микросхеме на основе полупроводниковых ключей. В зависимости от функциональности и типа управления будет отличаться как схема, так и алгоритм работы.

На схеме ниже показано, как устроен преобразователь частоты:



Принцип работы преобразователя частоты следующий:

  • Напряжение сети поступает на выпрямитель 1 и становится импульсным выпрямителем.
  • В блоке 2 сглаживаются пульсации и частично компенсируется реактивный элемент.
  • Блок 3 представляет собой группу силовых клавиш, управляемых системой управления (4) с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Такая конструкция позволяет получить на выходе двухступенчатое ШИМ регулируемое напряжение, которое после сглаживания приближается к синусоидальной форме. В более дорогих моделях используется трехуровневая схема с большим количеством переключателей. Это позволяет получить более греховную форму волны. Тиристоры, полевые транзисторы или IGBT могут использоваться в качестве полупроводниковых переключателей. В последнее время наиболее востребованы и популярны последние два вида благодаря своей эффективности, малым потерям и простоте управления.
  • ШИМ используется для формирования желаемого уровня напряжения, простыми словами — так модулируется синусоида, пары ключей переключаются последовательно, создавая линейное напряжение.

Итак, мы вкратце рассказали, как работает преобразователь частоты для электродвигателя и из чего он состоит. Он служит вторичным источником питания и не только контролирует форму сетевого тока, но также обрабатывает его величину и частоту в соответствии с заданными параметрами.

Виды частотников и сфера применения

Способы управления

Регулирование частоты вращения может осуществляться различными способами, как с точки зрения установки необходимой частоты, так и с точки зрения регулирования. По способу контроля частотомеры делятся на два типа:

  1. Со скалярным управлением.
  2. С векторным управлением.

Устройства первого типа регулируют частоту в соответствии с заданной функцией U / F, т.е. вместе с частотой изменяется напряжение. Пример такой зависимости напряжения от частоты можно увидеть ниже.

Он может быть разным и запрограммирован на определенную нагрузку, например, на вентиляторах он не линейный, а напоминает ветвь параболы. Этот принцип работы поддерживает почти постоянный магнитный поток в зазоре между ротором и статором.



Особенностью скалярного управления является его распространенность и относительная простота реализации. Чаще всего используется для насосов, вентиляторов и компрессоров. Такие преобразователи частоты используются часто,если необходимо поддерживать стабильное давление (или другой параметр), это может быть погружной насос для скважины, если мы рассматриваем возможность домашнего использования.



Однако в производстве область применения широка, например, регулирование давления в одних и тех же трубопроводах и эффективность автоматических систем вентиляции. Диапазон регулирования обычно 1:10, проще говоря, максимальная скорость от минимальной может отличаться в 10 раз. Из-за специфики реализации алгоритмов и интегральных схем такие устройства обычно дешевле, что является их главным преимуществом.



Недостатки:

  • Не очень точная поддержка скорости.
  • Более медленная реакция на изменение рабочего режима.
  • Чаще всего невозможно контролировать крутящий момент на валу.
  • Когда скорость вращения превышает номинальную, крутящий момент на валу двигателя уменьшается (т.е. когда мы увеличиваем частоту выше 50 Гц).

Последнее связано с тем, что выходное напряжение зависит от частоты, при номинальной частоте напряжение равно напряжению сети, и инвертор не может «подняться» выше, на графике показана плоская часть графика на 50 Гц. Обратите внимание, что соотношение крутящего момента и частоты уменьшается, поскольку закон 1 / f показан красным цветом на графике ниже, а соотношение мощности и частоты — синим.



Преобразователи частоты с векторным управлением имеют другой принцип работы, здесь не только напряжение соответствует кривой U / f. Характеристика выходного напряжения изменяется в зависимости от сигналов от датчиков, так что на валу сохраняется определенный крутящий момент. Но почему такой контроль? Более точное и быстрое регулирование — отличительная черта векторного преобразователя частоты. Это важно в механизмах, принцип работы которых предполагает быстрые изменения нагрузки и крутящего момента привода.



Такие нагрузки характерны для токарных и других типов станков, в том числе для станков с ЧПУ. Точность регулирования до 1,5%, диапазон регулировки 1: 100, для большей точности с датчиками скорости и др. — 0,2% и 1: 10000 соответственно.

На форумах бытует мнение, что сегодня разница в цене между векторными и скалярными преобразователями частоты ниже, чем была раньше (15-35% в зависимости от производителя), и основная разница в прошивке, а не в чипах. Также обратите внимание, что большинство векторных моделей также поддерживают скалярное управление.

  • повышенная стабильность и точность работы;
  • более быстрая реакция на изменение нагрузки и высокий крутящий момент на низких оборотах;
  • более широкий спектр контроля.

Главный недостаток — он стоит дороже, чем скалярные модели.

В обоих случаях частота может быть установлена ​​вручную или с помощью датчиков, например датчика давления или расходомера (в случае насосов), потенциометра или энкодера.

Все или почти все преобразователи частоты имеют функцию плавного пуска, которая позволяет легко запускать двигатели от аварийных генераторов без риска перегрузки.

Количество фаз

Преобразователи частоты отличаются не только по отклику, но и по количеству входных и выходных фаз. Итак, есть преобразователи частоты с однофазным и трехфазным входом.

В этом случае большинство трехфазных моделей могут работать на одной фазе, но в этом случае их мощность снижается до 30-50%. Это связано с допустимой токовой нагрузкой диодов и других элементов системы питания. Однофазные модели доступны в диапазоне мощностей до 3 кВт.

Обратите внимание, что при однофазном подключении с входным напряжением 220 В трехфазный выход будет 220 В, а не 380 В. Это означает, что на линейном выходе будет ровно 220 В. Поэтому обычные двигатели с обмоткой 380/220 В должны быть подключены по схеме треугольник и 127/220 В по схеме звезда-треугольник.

В сети можно найти много предложений, например, «220 на 380 ПЧ» — это в основном маркетинг, любые три фазы продавцы называют «380В».

Чтобы стать реальнымНапряжение 380 В от одной фазы следует либо использовать однофазный трансформатор 220/380 (если преобразователь входной частоты рассчитан на такое напряжение), либо использовать специализированный преобразователь частоты с однофазным входом и трехфазным выходом 380 В.



Отдельным и более редким типом преобразователей частоты являются однофазные преобразователи частоты с однофазным выходом 220 В. Они предназначены для управления однофазными двигателями с пусковым конденсатором. Примеры таких устройств:

  • ЭРМАН ЭР-Г-220-01
  • ИННОВЕРТ IDD.

Схема подключения

Фактически, чтобы получить выход 380В от преобразователя частоты 380В, нужно подключить к его входу 3 фазы:



Подключение преобразователя частоты к одной фазе аналогично, за исключением подключения силовых кабелей:



Так устроен однофазный преобразователь частоты для конденсаторного двигателя (маломощный насос или вентилятор):



Как показано на схемах, помимо силовых кабелей и кабелей двигателя, преобразователь частоты имеет другие клеммы, к которым подключаются датчики, кнопки дистанционного управления, шины для подключения к компьютеру (часто в стандарте RS-485) и т. Д. Это позволяет управлять двигателем с помощью тонкие сигнальные провода, что позволяет скрыть преобразователь частоты в электрической плате.

Преобразователи частоты — универсальные устройства, предназначенные не только для регулирования скорости вращения, но и для защиты электродвигателя от неправильных режимов работы и мощности, а также от перегрузки. Помимо основной функции, эти устройства выполняют функцию плавного пуска приводов, что снижает износ устройств и нагрузку на электросеть. Принцип работы и глубина настройки параметров большинства преобразователей частоты позволяет экономить электроэнергию при управлении насосами (ранее регулирование велось не за счет КПД насоса, а за счет задвижки) и других устройств.

На этом мы завершаем обсуждение этой темы. Надеемся, что после прочтения этой статьи вы поняли, что такое преобразователь частоты и для чего он нужен. Напоследок рекомендуем посмотреть полезное видео на эту тему:

Вы, наверное, не знаете: