Как подключить двигатель через частотный преобразователь

Подключение частотного преобразователя к электродвигателю (схема)

Преобразователь частоты переменного тока уже много лет применяются при строительстве электромеханических приборов и агрегатов. Они позволяют модулировать частоту для того, чтобы регулировать скорость вращения вола электрического двигателя.

Частотники позволили подключать трёхфазный электрический двигатель к однофазной сети питания, при этом, не теряя мощности. При старинном типе подключения, через емкий конденсатор, большая часть мощности двигателя терялась, КПД существенно снижалось, обмотки электрического двигателя сильно перегревались.

Всех этих проблем удалось избежать, применением частотного преобразователя. При этом очень важно соблюдать правильное подключение частотного преобразователя к электрическому двигателю.

Некоторые особенности подключения любого частотника в связку с электрическим двигателем.

Во-первых

Из соображений безопасности эксплуатации прибора, при подключении частотника (или любого иного прибора) к сети питания, обязательно нужно устанавливать защитный автомат. Автомат устанавливается перед частотником.

При этом если частотный преобразователь подключается в сеть с трёхфазным напряжением, то установить необходимо автомат тоже трёхфазный, но с общим рычагом отключения.
Это позволит отключить питание от всех фаз одновременно, если хотя бы на одной фазе будет короткое замыкание или сильная перегрузка.

Если преобразователь частоты подключается в сеть с однофазным напряжением, то соответственно применяется автомат однофазный. Но при этом, в расчет берётся ток одной фазы, умноженный на три.

При подключении трёхфазного автомата, его рабочий ток определяется током одной фазы.

Однозначно запрещено устанавливать защитный автомат в разрыв нулевого кабеля, как при однофазном подключении, так и при трёхфазном. Такое подключение только внешне выглядит идентичным (ошибочно понимать, что цепь одна и не важно, где её разрывать).
На самом деле, в случае разрыва фазовых кабелей, при срабатывании автомата, питание полностью отключается и на цепях прибора не будет фаз вовсе. Это безопасно. А при срабатывании автомата с разорванным нулём, работа прибора прекратиться. Но при этом, обмотки двигателя и цепи частотника останутся под напряжением, что является нарушением правил техники безопасности и опасно для человека.

Также, не при каких условиях не разрывается заземляющий кабель. Как и нулевой, они должны быть подключены к соответствующим шинам напрямую.

Во вторых

Следует подключить фазовые выходы частотного преобразователя к контактам электрического двигателя. При этом обмотки электрического двигателя следует подключить по принципу «треугольник» или «звезда». Тип выбирается исходя из напряжения, которое вырабатывает частотник. Как правило, к каждому инвертеру приложена инструкция, в которой подробно расписано, как соединяются обмотки двигателя для подключения конкретного частотника. Схема подключения частотного преобразователя к 3-х фазному двигателю также должна быть приведена в инструкции.

Обычно на корпусах двигателей приведены оба значения напряжения. Если частотник соответствует меньшему, то обмотки соединяются по принципу треугольника. В других случаях по принципу звезды. Схема подключения частотного преобразователя также должна быть приведена в паспорте частотника. Там же обычно приводятся и рекомендации по подключению.

В третьих

Практически к каждому преобразователю частоты в комплекте прилагается выносной пульт управления. Несмотря на то, что на самом корпусе частотника уже есть интерфейс для ввода данных управления и программирования, наличие выносного пульта управления является очень удобной опцией.

Пульт монтируется в месте, где удобнее всего с ним работать. В некоторых случаях, когда преобразователь частоты несколько уступает в пылевой защите и защите от влаги, сам частотник может быть установлен вдали от двигателя, а пульт управления рядом, для того, чтобы не бегать к шкафу управления и не регулировать обороты там.

Всё зависит от конкретных обстоятельств и требований производства.

Первый пуск и настройка преобразователя частоты

После подключения к преобразователю частоты пульта управления, следует рукоятку скорости вращения вала двигателя перевести в наименьшее положение. После этого нужно включить автомат, тем самым подать питание на частотник. Как правило, после включения питания должны загореться световые индикаторы на частотнике и, при наличии светодиодной панели, на ней должны отобразиться стартовые значения.

Принцип подключения цепей управления частотного преобразователя не является универсальным. Нужно соблюдать указания, указанные в инструкции к конкретному частотнику.

Для первого запуска двигателя потребуется нажать кратковременно клавишу пуска на частотнике. Как правило, эта кнопка запрограммирована на пуск двигателя по умолчанию на фабрике.

После пуска, вал двигателя должен начать медленно вращаться. Возможно, двигатель будет вращаться в противоположную сторону, отличную. От необходимой. Проблему можно решить программированием частотника на реверсное движение вала. Все современные модели преобразователей частоты поддерживают эту функцию. Можно воспользоваться и примитивным подключением фаз в другом порядке фаз. Хотя это долго и не рентабельно по затрате времени и сил электромонтёра.

Дальнейшая настройка предполагает выставления нужного значения оборотов двигателя. Нередко на частотника отображается не частота вращения вала двигателя, а частота питающего двигатель напряжения, выраженная в герцах. Тогда потребуется воспользоваться таблицей, для определения соответствующего значения частоты напряжения частоте вращения вала двигателя.

При монтаже и обслуживании, а также замене преобразователя частоты важно соблюдать ряд рекомендаций.

Любое касание рукой или иной частью тела токоведущего элемента может отнять здоровье или жизнь. Это важно помнить при любой работе со шкафом управления. При работе со шкафом управления следует отключить входящее питание и убедиться что именно фазы отключены.
Важно помнить, что некоторое напряжение может ещё оставаться в цепи, даже при угасании световых индикаторов. Посему, при работе с агрегатами до 7 кВт, после отключения питания рекомендуется прождать минут пять не меньше. А при работе с приборами более 7 кВт, прождать нужно не менее 15 минут после отключения фаз. Это даст возможность разрядиться всем имеющимся в цепи конденсаторам.
Каждый преобразователь частоты должен иметь надёжное заземление. Заземление проверяется согласно правилам профилактических работ.
Строго запрещено использовать в качестве заземления нулевой кабель. Заземление монтируется отдельным кабелем отдельно от нулевой шины. Даже при наличии и нулевой шины и шины заземления, при соответствии их нормам электромонтажа, соединять их запрещено.
Важно помнить, что клавиша отключения частотника не является гарантией обесточивания цепей. Эта клавиша всего лишь останавливает двигатель, при этом ряд цепей может оставаться под напряжением.

Подключение частотного преобразователя к электродвигателю осуществляется с применением кабелей, сечение которых соответствует тем характеристикам, которые указаны в паспорте частотника. Нарушение норм в меньшую сторону недопустимо. В большую сторону, может быть не целесообразно.

Прежде чем как подключить частотный преобразователь к электродвигателю, важно убедиться в соответствии условий, при которых будет работать преобразователь частоты. Фактически, условия должны соответствовать рекомендациям, приведённым в инструкции.

В каждом конкретном случае, подключение частотника может сопровождаться рядом обязательных условий. Чтобы узнать, как подключить частотник к 3 фазному двигателю схемы, которого есть в наличии. Сначала изучаются схемы. Если в них всё понятно, подключение выполняется при строго следовании инструкции. Если что-то не понятно, не следует выдумывать самостоятельно и полагаться на свою интуицию. Нужно связаться с поставщиком или производителем, для получения соответствующих указаний.

[wpfmb type=’warning’ theme=2]Лучше дождаться помощи специалиста, чем потом ремонтировать сломанную технику. Случай-то не будет гарантийным.[/wpfmb]

Частотный преобразователь.Как подключить трёхфазный электродвигатель от 220В.

Watch this video on YouTube

Что такое преобразователь частоты? Как это устроено?

Работа с переменной частотой была в форме генератора переменного тока с момента появления асинхронного двигателя. Измените скорость вращения генератора, и вы измените его выходную частоту. До появления высокоскоростных транзисторов это был один из немногих доступных вариантов изменения скорости двигателя, однако изменения частоты были ограничены, поскольку снижение скорости генератора снижало выходную частоту, но не напряжение. Мы увидим, почему это важно немного позже.В нашей отрасли применение насосов с регулируемой скоростью было намного сложнее в прошлом, чем сегодня. Одним из более простых методов было использование многополюсного двигателя, который был намотан таким образом, чтобы переключатель (или переключатели) мог изменять количество полюсов статора, которые были активны в любой момент времени. Скорость вращения может быть изменена вручную или с помощью датчика, подключенного к переключателям. Во многих приложениях с переменным расходом все еще используется этот метод. Примеры включают циркуляционные насосы для горячей и охлажденной воды, насосы для бассейнов, а также вентиляторы и насосы градирниНекоторые бытовые дожимные насосы использовали системы жидкостного или переменного ременного привода (своего рода автоматическая коробка передач) для изменения скорости насоса на основе обратной связи от мембранного клапана давления. И некоторые другие были еще более сложными.

Основываясь на обручах, через которые нам приходилось прыгать в прошлом, становится совершенно очевидно, почему появление современного преобразователя частоты произвело революцию (еще один каламбур) в среде с переменной скоростью накачки. Все, что вам нужно сделать сегодня, - это установить относительно простую электронную коробку (которая часто заменяет более сложное пусковое оборудование) на месте применения, и внезапно вы можете, вручную или автоматически, изменить скорость насоса по своему желанию.

Итак, давайте посмотрим на компоненты преобразователя частоты и посмотрим, как они на самом деле работают вместе, чтобы изменять частоту и, следовательно, скорость двигателя. Я думаю, вы будете поражены простотой этого процесса. Все, что потребовалось, это созревание твердотельного устройства, которое мы знаем как транзистор.

Компоненты преобразователя частоты

Выпрямитель
Поскольку в режиме переменного тока сложно изменить частоту синусоидальной волны переменного тока, первой задачей преобразователя частоты является преобразование волны в постоянный ток.Как вы увидите чуть позже, DC довольно легко манипулировать, чтобы он выглядел как AC. Первым компонентом всех преобразователей частоты является устройство, известное как выпрямитель или преобразователь, и оно показано слева на рисунке ниже.

Выпрямительная схема преобразует переменный ток в постоянный и делает это во многом аналогично зарядному устройству или сварочному аппарату. Он использует диодный мост, чтобы ограничить движение синусоиды переменного тока только в одном направлении. Результатом является полностью выпрямленная форма волны переменного тока, которая интерпретируется схемой постоянного тока как собственная форма волны постоянного тока.Трехфазные преобразователи частоты принимают три отдельные входные фазы переменного тока и преобразуют их в один выход постоянного тока. Большинство трехфазных преобразователей частоты также могут принимать однофазное питание (230 В или 460 В), но, поскольку имеется только два входных плеча, выход преобразователей частоты (HP) должен быть уменьшен, поскольку производимый постоянный ток уменьшается пропорционально. С другой стороны, настоящие однофазные преобразователи частоты (те, которые управляют однофазными двигателями) используют однофазный вход и создают выход постоянного тока, который пропорционален входу.

Существует две причины, по которым трехфазные двигатели более популярны, чем их однофазные счетчики, когда речь идет о работе с переменной скоростью. Во-первых, они предлагают гораздо более широкий диапазон мощности. Но не менее важна их способность самостоятельно начать вращение. С другой стороны, однофазный двигатель часто требует вмешательства извне, чтобы начать вращение. В этом случае мы ограничимся обсуждением трехфазных двигателей, используемых на трехфазных преобразователях частоты.

Шина постоянного тока
Второй компонент, известный как шина постоянного тока (показан в центре иллюстрации), не виден и во всех преобразователях частоты, поскольку он не вносит непосредственный вклад в работу с переменной частотой.Но это всегда будет в высококачественных преобразователях частоты общего назначения (изготовленных специализированными производителями преобразователей частоты). Не вдаваясь в подробности, шина постоянного тока использует конденсаторы и катушку индуктивности для фильтрации «пульсирующего» напряжения переменного тока от преобразованного постоянного тока до его входа в секцию инвертора. Он также может включать фильтры, которые препятствуют гармоническим искажениям, которые могут возвращаться в источник питания, питающий преобразователь частоты. Прежние преобразователи частоты и некоторые преобразователи частоты для конкретных насосов требуют отдельных сетевых фильтров для выполнения этой задачи.

Инвертор
Справа от иллюстрации "кишки" преобразователя частоты. Инвертор использует три набора высокоскоростных переключающих транзисторов для создания «импульсов» постоянного тока, которые эмулируют все три фазы синусоидальной волны переменного тока. Эти импульсы определяют не только напряжение волны, но и ее частоту. Термин инвертор или инверсия означает «разворот» и просто относится к движению вверх и вниз генерируемой формы волны. Современный преобразователь частоты использует технику, известную как «широтно-импульсная модуляция» (ШИМ), для регулирования напряжения и частоты.Мы рассмотрим это более подробно, когда посмотрим на выход инвертора.

Другой термин, с которым вы, вероятно, сталкивались при чтении литературы или рекламы преобразователя частоты, - «IGBT». IGBT относится к «изолированному затвору, биполярному транзистору», который является переключающим (или пульсирующим) компонентом инвертора. Транзистор (который заменил вакуумную трубку) выполняет две функции в нашем электронном мире. Он может действовать как усилитель и усиливать сигнал, как это происходит в радио или стерео, или он может действовать как переключатель и просто включать и выключать сигнал.IGBT - это просто современная версия, которая обеспечивает более высокие скорости переключения (3000 - 16000 Гц) и снижает тепловыделение. Более высокая скорость переключения приводит к повышению точности эмуляции волны переменного тока и снижению слышимого шума двигателя. Снижение генерируемого тепла означает меньшие теплоотводы и, следовательно, меньшую занимаемую площадь преобразователя частоты.

Выход инвертора
На рисунке справа показана форма волны, генерируемая инвертором ШИМ-преобразователя частоты, по сравнению с синусоидальной волной переменного тока.Выход инвертора состоит из серии прямоугольных импульсов с фиксированной высотой и регулируемой шириной. В этом конкретном случае есть три набора импульсов - широкий набор в середине и узкий набор в начале и конце как положительной, так и отрицательной частей цикла переменного тока. Сумма площадей импульсов равна эффективному напряжению настоящей волны переменного тока (мы обсудим эффективное напряжение через несколько минут). Если вы отрежете части импульсов выше (или ниже) истинной волны переменного тока и используете их для заполнения пробелов под кривой, вы обнаружите, что они почти идеально совпадают.Таким образом, преобразователь частоты контролирует напряжение, поступающее на двигатель.

Сумма ширины импульсов и пробелов между ними определяет частоту волны (следовательно, ШИМ или широтно-импульсную модуляцию), видимую двигателем. Если бы импульс был непрерывным (то есть без пробелов), частота все равно была бы правильной, но напряжение было бы намного больше, чем у истинной синусоидальной волны переменного тока. В зависимости от требуемого напряжения и частоты преобразователь частоты будет изменять высоту и ширину импульса и ширину пробелов между ними.Хотя внутренности, которые выполняют это, являются относительно сложными, результат элегантно прост!

Теперь, некоторые из вас, вероятно, задаются вопросом, как этот «поддельный» переменный ток (фактически постоянный ток) может приводить в действие асинхронный двигатель переменного тока. В конце концов, разве не требуется переменный ток, чтобы «вызвать» ток и соответствующее ему магнитное поле в роторе двигателя? Ну, переменный ток вызывает индукцию естественно, потому что он постоянно меняет направление. DC, с другой стороны, не делает этого, потому что он обычно неподвижен после активации цепи.Но DC может индуцировать ток, если он включен и выключен. Для тех из вас, кто достаточно стар, чтобы помнить, автомобильные системы зажигания (до появления твердотельного зажигания) имели набор точек в распределителе. Цель этих пунктов состояла в том, чтобы «подать» энергию от аккумулятора на катушку (трансформатор). Это вызвало заряд в катушке, который затем увеличил напряжение до уровня, который позволял бы зажигать свечи зажигания. Широкие импульсы постоянного тока, показанные на предыдущем рисунке, на самом деле состоят из сотен отдельных импульсов, и именно это включение и выключение выходного сигнала инвертора обеспечивает индукцию через постоянный ток.

Эффективное напряжение
Мощность переменного тока является довольно сложной величиной, и неудивительно, что Эдисон почти выиграл битву за то, чтобы сделать DC стандартом в США. К счастью, для нас все его сложности были объяснены, и все, что нам нужно сделать, это следовать правилам, которые были изложены до нас.

Одним из атрибутов, которые делают комплекс переменного тока, является то, что он непрерывно меняет напряжение, переходя от нуля к некоторому максимальному положительному напряжению, затем обратно к нулю, затем к некоторому максимальному отрицательному напряжению и затем снова к нулю.Как определить фактическое напряжение, приложенное к цепи? Слева изображена синусоида 60 Гц, 120 В. Обратите внимание, однако, что его пиковое напряжение составляет 170 В. Как мы можем назвать это волной 120 В, если ее фактическое напряжение составляет 170 В? В течение одного цикла он начинается с 0 В и поднимается до 170 В, затем снова падает до 0. Он продолжает падать до –170, а затем снова повышается до 0. Оказывается, что площадь зеленого прямоугольника, верхняя граница которого составляет 120 В, равна к сумме площадей под положительными и отрицательными частями кривой.Может ли 120 В быть средним? Что ж, если бы вы усреднили все значения напряжения в каждой точке цикла, результат был бы примерно 108 В, так что ответ не должен быть. Почему тогда значение, измеренное VOM, составляет 120 В? Это связано с тем, что мы называем «эффективное напряжение».

Если бы вы измеряли тепло, вырабатываемое постоянным током, протекающим через сопротивление, вы бы обнаружили, что оно больше, чем выделяемое эквивалентным переменным током. Это связано с тем, что переменный ток не поддерживает постоянное значение на протяжении всего своего цикла.Если вы сделали это в лаборатории, в контролируемых условиях, и обнаружили, что определенный постоянный ток генерирует повышение температуры на 100 градусов, его эквивалент переменного тока даст увеличение на 70,7 градуса, или всего 70,7% от значения постоянного тока. Следовательно, эффективное значение переменного тока составляет 70,7% от постоянного тока. Оказывается также, что эффективное значение напряжения переменного тока равно квадратному корню из суммы квадратов напряжения на первой половине кривой. Если пиковое напряжение равно 1, и вы должны были измерить каждое из отдельных напряжений от 0 до 180 градусов, эффективное напряжение будет равно 0.707 пикового напряжения. 0,707 раз пиковое напряжение 170, которое видно на иллюстрации, равно 120 В. Это эффективное напряжение также известно как среднеквадратичное или среднеквадратичное напряжение. Отсюда следует, что пиковое напряжение всегда будет 1,414 от действующего напряжения. 230 В переменного тока имеет пиковое напряжение 325 В, в то время как 460 имеет пиковое напряжение 650 В. Мы увидим влияние пикового напряжения чуть позже.

Ну, я, вероятно, говорил об этом дольше, чем необходимо, но я хотел, чтобы вы получили представление об эффективном напряжении, чтобы вы поняли иллюстрацию ниже.В дополнение к изменяющейся частоте преобразователь частоты также должен изменять напряжение, даже если напряжение не имеет никакого отношения к скорости, на которой работает двигатель переменного тока.

На рисунке показаны две синусоидальные волны 460 В переменного тока. Красный - это кривая 60 Гц, а синий - 50 Гц. Оба имеют пиковое напряжение 650 В, но 50 Гц намного шире. Вы можете легко увидеть, что область под первой половиной (0 - 10 мс) кривой 50 Гц больше, чем область первой половины (0 - 8,3 мс) кривой 60 Гц.И, поскольку площадь под кривой пропорциональна эффективному напряжению, его эффективное напряжение выше. Это увеличение эффективного напряжения становится еще более значительным с уменьшением частоты. Если бы двигателю 460 В разрешалось работать при этих более высоких напряжениях, его срок службы мог бы быть существенно уменьшен. Следовательно, преобразователь частоты должен постоянно варьировать «пиковое» напряжение относительно частоты, чтобы поддерживать постоянное эффективное напряжение. Чем ниже рабочая частота, тем ниже пиковое напряжение и наоборот.Именно по этой причине двигатели 50 Гц, используемые в Европе и некоторых частях Канады, рассчитаны на 380В. Видите, я говорил вам, что кондиционер может быть немного сложным!

Теперь вы должны хорошо понимать работу преобразователя частоты и то, как он управляет скоростью двигателя. Большинство преобразователей частоты предоставляют пользователю возможность устанавливать скорость двигателя вручную с помощью многопозиционного переключателя или клавиатуры или использовать датчики (давление, расход, температура, уровень и т. Д.) Для автоматизации процесса.

Преобразователь частоты - Википедия

Преобразователь частоты Преобразователь частоты или - это электронное или электромеханическое устройство, которое преобразует переменный ток (AC) одной частоты в переменный ток другой частоты. Устройство также может изменять напряжение, но если оно это делает, это является второстепенным по отношению к его основной цели, поскольку преобразование напряжения переменного тока гораздо проще достичь, чем преобразование частоты.

Традиционно эти устройства представляли собой электромеханические машины, называемые мотор-генераторной установкой.^[1] Также использовались устройства с ртутными дуговыми выпрямителями или вакуумными трубками. С появлением полупроводниковой электроники стало возможным создавать полностью электронные преобразователи частоты. Эти устройства обычно состоят из ступени выпрямителя (вырабатывающей постоянный ток), которая затем инвертируется для выработки переменного тока желаемой частоты. Инвертор может использовать тиристоры, IGCT или IGBT. Если требуется преобразование напряжения, трансформатор обычно будет включен во входную или выходную схему переменного тока, и этот трансформатор также может обеспечивать гальваническую развязку между входной и выходной цепями переменного тока.Батарея также может быть добавлена к схеме постоянного тока для улучшения защиты преобразователя от кратковременных отключений входной мощности.

Частотные преобразователи могут варьировать мощность от нескольких ватт до мегаватт.

приложений [править]

Преобразователи частоты используются для преобразования полной мощности переменного тока с одной частоты на другую, когда две соседние электрические сети работают на различной частоте.

Преобразователь частоты - это преобразователь частоты, используемый для управления скоростью двигателей переменного тока, например, для насосов и вентиляторов.Скорость двигателя переменного тока зависит от частоты источника питания переменного тока, поэтому изменение частоты позволяет изменять скорость двигателя. Это позволяет варьировать мощность вентилятора или насоса в соответствии с условиями процесса, что может обеспечить экономию энергии.

Другое применение в аэрокосмической и авиационной промышленности. Часто самолеты используют мощность 400 Гц, поэтому для использования в наземном силовом агрегате, который используется для питания самолета, когда он находится на земле, необходим преобразователь частоты 50 Гц или 60 Гц в 400 Гц.Авиакомпании могут также использовать конвертеры для подачи пассажирам тока через воздушную стенку для использования с ноутбуками и т.п. Оборудование радио и боевых систем на военных кораблях ВМФ также часто приводится в действие частотой 400 Гц для снижения шума в сигнале постоянного тока после выпрямления.

В системах возобновляемой энергии преобразователи частоты являются важным компонентом асинхронных генераторов с двойным питанием (DFIG), используемых в современных ветряных турбинах класса мультимегаватт. ^[2]

HVDC-система может служить преобразователем частоты для больших нагрузок.

Альтернативное использование [править]

Преобразователь частоты также может относиться к схеме с гораздо меньшей мощностью, которая преобразует радиочастотные сигналы на одной частоте в другую, особенно в супергетеродинном приемнике. См. Частотный смеситель. Схема обычно состоит из гетеродина и частотного микшера (аналогового умножителя), который генерирует суммарные и разностные частоты из входного и локального осциллятора, из которых одна (промежуточная частота) потребуется для дальнейшего усиления, а остальные отфильтрованы.Исторически тот же результат был достигнут с помощью пентагрид-преобразователя или триода и гексода в одной трубке, но он может быть экономически выгодно реализован в транзисторных радиостанциях с помощью одного транзистора, функционирующего как автоколебательный смеситель .

См. Также [править]

Список литературы [править]

Внешние ссылки [редактировать]

Основы преобразователя частоты

Для обеспечения высокой эффективности, большой управляемости и экономии энергии в приложениях, связанных с промышленным асинхронным двигателем, необходимо использовать управляемые системы преобразователей частоты. В настоящее время система преобразователя частоты представляет собой двигатель переменного тока, питаемый от статического преобразователя частоты. Современный преобразователь частоты отлично подходит для применения в двигателях переменного тока и простой установки. Однако одна важная проблема связана с несинусоидальным выходным напряжением. Этот фактор вызвал много нежелательных проблем.Увеличенные потери асинхронного двигателя, шум и вибрации, вредное воздействие на систему изоляции индукции и отказ подшипника - примеры проблем систем, связанных с преобразователем частоты. Повышенные индукционные потери означают снижение номинальной выходной мощности индукции для предотвращения перегрева. Измерения в лаборатории показывают, что повышение температуры может быть на 40% выше с преобразователем частоты по сравнению с обычными источниками питания. Непрерывные исследования и усовершенствования преобразователей частоты решили многие из этих проблем.К сожалению, кажется, что решение одной проблемы акцентировало другую. Снижение потерь на индуктивности и преобразователе частоты приводит к увеличению вредного воздействия на изоляцию. Производители индукционных систем, конечно же, знают об этом. Новые индукционные конструкции (двигатели, устойчивые к инвертору) начинают появляться на рынке. Улучшенная изоляция обмотки статора и другие конструктивные усовершенствования гарантируют, что асинхронные двигатели будут лучше адаптированы для применения в преобразователях частоты.

Введение
Одной из наиболее серьезных проблем асинхронного двигателя была сложность его адаптации к регулировке скорости.Синхронная скорость двигателя переменного тока определяется следующим уравнением.

n _s = 120 * f / p

n _с = синхронная скорость
f = частота электросети
p = номер полюса

Единственный способ отрегулировать скорость для данного номера полюса - это изменить частоту.

Основной принцип
Теоретически, основная идея проста, процесс преобразования стабильной частоты линии электропередачи в переменную частоту в основном выполняется в два этапа:

Источник переменного тока выпрямляется в постоянное напряжение.
Напряжение постоянного тока преобразуется в напряжение переменного тока желаемой частоты.

Преобразователь частоты в основном состоит из трех блоков: выпрямителя, цепи постоянного тока и инвертора.

Преобразователи частоты различных типов
ШИМ-инвертор источника напряжения (VSI)
ШИМ (широтно-импульсная модуляция) широко применяется в промышленности преобразователей частоты. Они доступны от нескольких сотен ватт до мегаватт.

ШИМ-преобразователь не обязательно должен точно соответствовать нагрузке, ему нужно только убедиться, что нагрузка не потребляет ток выше, чем рассчитан ШИМ-преобразователь. Вполне возможно запустить индукцию 20 кВт с ШИМ-преобразователем мощностью 100 кВт. Это большое преимущество, облегчающее работу приложения.

В настоящее время преобразователь частоты ШИМ использует биполярный преобразователь с изолированным затвором (IGBT). Современные ШИМ-преобразователи частоты работают очень хорошо и не сильно отстают от конструкций с синусоидальным источником питания - по крайней мере, в диапазоне мощности до 100 кВт или около того.

Инвертор источника тока (CSI)
Инвертор источника тока представляет собой грубую и довольно простую конструкцию по сравнению с ШИМ. Он использует простые тиристоры или SCR в цепях питания, что делает его намного дешевле. Он также имеет преимущество, будучи очень надежным. Конструкция делает его устойчивым к короткому замыканию из-за больших индуктивности в цепи постоянного тока. Это громче, чем ШИМ.

Ранее инвертор источника тока был лучшим выбором для больших нагрузок. Недостатком инвертора источника тока является необходимость согласования с нагрузкой.Преобразователь частоты должен быть рассчитан на используемый асинхронный двигатель. Фактически, сама индукция является частью инвертированной цепи.

Инвертор источника тока снабжает асинхронный двигатель током квадратной формы. На низких скоростях индукция создает зубчатый момент. Преобразователь частоты этого типа будет генерировать больше шума на источнике питания по сравнению с ШИМ-преобразователем. Фильтрация необходима.

Сильные переходные процессы в выходном напряжении являются дополнительным недостатком инвертора источника тока.Переходные процессы могут достигать почти в два раза больше номинального напряжения в худших случаях. Существует также риск преждевременного износа изоляции обмотки, если используется этот преобразователь частоты. Этот эффект наиболее серьезен, когда нагрузка не соответствует преобразователю частоты должным образом. Это может произойти при работе с частичной нагрузкой. Этот вид частотного преобразователя все больше теряет свою популярность.

Векторное управление потоком (FVC)
Векторное управление потоком представляет собой более сложный тип преобразователя частоты, который используется в приложениях, требующих экстремальных требований к управлению.Например, на бумажных фабриках необходимо очень точно контролировать скорость и силы растяжения.

Преобразователь частоты FVC всегда имеет своего рода контур обратной связи. Этот вид частотного преобразователя, как правило, представляет незначительный интерес для применения в насосах. Это дорого, и его преимуществами нельзя воспользоваться.

Влияние на мотор
Индукция работает лучше всего, когда снабжена источником чистого синусоидального напряжения. Это в основном имеет место при подключении к надежному коммунальному источнику питания.

Когда индуктор подключен к преобразователю частоты, на него подается несинусоидальное напряжение - больше похожее на прерывистое квадратное напряжение. Если мы подадим 3-фазную индукцию с симметричным 3-фазным квадратным напряжением, все гармоники, кратные трем, а также четные числа, будут удалены из-за симметрии. Но по-прежнему остаются цифры 5; 7 и 11; 13 и 17; 19 и 23; 25 и так далее. Для каждой пары гармоник нижнее число вращается в обратном направлении, а большее число вращается в прямом направлении.

Скорость асинхронного двигателя определяется основным числом, или числом 1, из-за его сильного доминирования. Теперь, что происходит с гармониками?

С точки зрения гармоник, кажется, что индукция заблокировала ротор, что означает, что скольжение составляет приблизительно 1 для гармоник. Они не дают никакой полезной работы. Результатом являются главным образом потери ротора и дополнительный нагрев. В частности, в нашем приложении это серьезный результат. Однако с помощью современных технологий можно устранить большую часть содержания гармоник в индукционном токе, тем самым уменьшая дополнительные потери.

Преобразователь частоты до
Самые ранние преобразователи частоты часто использовали простое квадратное напряжение для питания асинхронного двигателя. Они вызвали проблемы с нагревом, и индукции работали с типичным шумом, вызванным пульсацией крутящего момента. Гораздо лучшая производительность была достигнута простым устранением пятого и седьмого. Это было сделано путем некоторого дополнительного переключения сигнала напряжения.

Преобразователь частоты сегодня
В настоящее время техника более сложна, и большинство недостатков - история.Разработка быстрых силовых полупроводниковых приборов и микропроцессора позволила адаптировать схему переключения таким образом, чтобы устранить большинство вредных гармоник.

Частоты переключения до 20 кГц доступны для преобразователей частоты в диапазоне средней мощности (до нескольких десятков кВт). Индукционный ток с преобразователем частоты этого типа будет иметь форму синуса.

При высокой частоте переключения индукционные потери сохраняются низкими, но потери в преобразователе частоты будут увеличиваться.Общие потери станут выше при чрезмерно высоких частотах переключения.

Некоторые основные теории двигателя
Производство крутящего момента в асинхронном двигателе может быть выражено как

T = V * τ * B [Нм]

V = активный объем ротора [м ³]
τ = ток на метр окружности отверстия статора
B = плотность потока в воздушном зазоре

B = пропорционально (E / ω) = E / (2 * π * f)

ω = угловая частота напряжения статора
E = индуцированное напряжение статора

Чтобы получить наилучшие характеристики на различных скоростях, становится необходимым поддерживать соответствующий уровень намагниченности для индукции для каждой скорости.

Диапазон различных характеристик крутящего момента показан на следующем рисунке. Для нагрузки с постоянным моментом отношение V / F должно быть постоянным. Для квадратной крутящей нагрузки постоянное отношение V / F приведет к чрезмерно высокой намагниченности при более низкой скорости. Это приведет к излишне высоким потерям в железе и потерям сопротивления (I ² R).

Лучше использовать квадратное соотношение V / F. Таким образом, потери в стали и I ² R снижаются до уровня, более приемлемого для фактического момента нагрузки.

Если мы посмотрим на рисунок, мы обнаружим, что напряжение достигло своего максимума и не может быть увеличено выше базовой частоты 50 Гц. Диапазон выше базовой частоты называется диапазоном ослабления поля. Следствием этого является то, что больше невозможно поддерживать необходимый крутящий момент без увеличения тока. Это приведет к проблемам с разогревом того же типа, что и при нормальном пониженном напряжении, подаваемом из синусоидальной электрической сети. Номинальный ток преобразователя частоты, вероятно, будет превышен.

Бег в диапазоне ослабления поля
Иногда возникает искушение запустить насос на частотах выше частоты промышленной электросети, чтобы достичь рабочей точки, которая в противном случае была бы невозможна. Это требует дополнительной осведомленности. Мощность на валу насоса будет увеличиваться с кубом скорости. Превышение скорости на 10% потребует на 33% больше выходной мощности. Грубо говоря, можно ожидать, что повышение температуры увеличится примерно на 75%.

Тем не менее, существует предел того, что мы можем выжать из индукции при превышении скорости.Максимальный крутящий момент индукции будет падать как функция 1 / F в диапазоне ослабления поля.

Очевидно, что индукция выпадет, если преобразователь частоты не сможет поддерживать его напряжением, которое соответствует напряжению, необходимому для крутящего момента.

Уменьшение
Во многих случаях индукция работает на максимальной мощности от синусоидальной электрической сети, и любой дополнительный нагрев не может быть допущен. Если такая индукция питается от преобразователя частоты какого-либо типа, она, скорее всего, должна работать на более низкой выходной мощности, чтобы избежать перегрева.

Нет ничего необычного в том, что преобразователь частоты для больших насосов мощностью более 300 кВт добавляет дополнительные индукционные потери на 25–30%. В верхнем диапазоне мощности только немногие преобразователи частоты имеют высокую частоту переключения: от 500 до 1000 Гц обычно для преобразователей частоты предыдущего поколения.

Чтобы компенсировать дополнительные потери, необходимо уменьшить выходную мощность. Мы рекомендуем общее снижение номинальной мощности на 10–15% для больших насосов.

Поскольку преобразователь частоты загрязняет сеть питания гармониками, энергетическая компания иногда предписывает входной фильтр.Этот фильтр уменьшит доступное напряжение обычно на 5–10%. Следовательно, индукция будет работать при 90–95% номинального напряжения. Следствием этого является дополнительный обогрев. Может быть необходимо снижение номинальной стоимости.

Пример
Предположим, что выходная мощность для фактического двигателя насоса составляет 300 кВт при 50 Гц, а повышение температуры составляет 80 ° C с использованием синусоидальной электрической сети. Дополнительные потери 30% приведут к индукции, которая будет на 30% теплее. Консервативное предположение состоит в том, что повышение температуры зависит от квадрата мощности на валу.

Чтобы не превышать 80 ° C, мы должны уменьшить мощность на валу до

P _{уменьшено} = √ (1 / 1,3) * 300 = 263 кВт

Уменьшение может быть достигнуто либо уменьшением диаметра рабочего колеса, либо уменьшением скорости.

Преобразователь частоты Потери
Когда общая эффективность системы преобразователя частоты определена, внутренние потери преобразователя частоты должны быть включены. Эти потери преобразователя частоты не являются постоянными и их нелегко определить.Они состоят из постоянной части и части, зависящей от нагрузки.

Постоянные потери:
Потери охлаждения (вентилятор охлаждения) - потери в электронных цепях и т. Д.

Потери в зависимости от нагрузки:
Потери на переключение и потери в силовых полупроводниках.

На следующем рисунке показана эффективность преобразователя частоты как функция частоты при кубической нагрузке для блоков мощностью 45, 90 и 260 кВт. Кривые являются репрезентативными для преобразователей частоты в диапазоне мощности 50–300 кВт; с частотой переключения около 3 кГц и IGBT второго поколения.

Влияние на изоляцию двигателя
Выходные напряжения современных преобразователей частоты имеют очень короткое время нарастания напряжения.

dU / dT = 5000 В / мкс является общим значением.

Такие крутые наклоны напряжения будут вызывать чрезмерное напряжение в изоляционных материалах индукционной обмотки. При коротких временах нарастания напряжение в обмотке статора распределяется неравномерно. При синусоидальном источнике питания напряжение поворота в индукционной обмотке обычно распределяется равномерно.С преобразователем частоты, с другой стороны, до 80% напряжения будет падать в течение первого и второго витка. Поскольку изоляция между проводами представляет собой слабое место, это может оказаться опасным для индукции. Короткое время нарастания также вызывает отражение напряжения в индукционном кабеле. В худшем случае это явление удвоит напряжение на индукционных клеммах. Индукция, питаемая от преобразователя частоты 690 В, может подвергаться воздействию до 1900 В между фазами.

Амплитуда напряжения зависит от длины индукционного кабеля и времени нарастания. При очень коротком времени нарастания полное отражение происходит в кабеле длиной от 10 до 20 метров.

Чтобы обеспечить работу и достаточный срок службы двигателя, абсолютно необходимо адаптировать обмотку для использования с преобразователем частоты. Индукции для напряжений выше 500 вольт должны иметь некоторую форму усиленной изоляции. Обмотка статора должна быть пропитана смолой, обеспечивающей изоляцию без пузырьков или полостей.Свечение часто начинается вокруг полостей. Это явление в конечном итоге разрушит изоляцию.

Существуют способы защиты двигателя. Поверх усиленной системы изоляции может потребоваться установка фильтра между преобразователем частоты и индукцией. Такие фильтры доступны от большинства известных поставщиков преобразователей частоты.

Фильтр обычно замедляет время нарастания напряжения с

dU / dT = 5000 В / мкс до 500-600 В / мкс

Неисправность подшипника
Поломка вращающихся механизмов часто может быть связана с отказом подшипника.В дополнение к чрезмерному нагреву, недостаточной смазке или усталости металла электрический ток, проходящий через подшипники, может быть причиной многих загадочных поломок подшипников, особенно при большой индукции. Это явление обычно вызывается несимметричностью в магнитной цепи, которая вызывает небольшое напряжение в структуре статора, или током нулевой последовательности. Если потенциал между структурой статора и узлом вала станет достаточно высоким, разряд будет происходить через подшипник.Небольшие электрические разряды между элементами качения и дорожкой качения подшипника в конечном итоге повредят подшипник.

Использование частотных преобразователей увеличит вероятность возникновения этого типа отказа подшипника. Техника переключения современного преобразователя частоты вызывает ток нулевой последовательности, который при определенных обстоятельствах проходит через подшипники.

Самый простой способ вылечить эту проблему - это создать препятствие для тока. Обычный метод заключается в использовании подшипника с изоляционным покрытием на наружном кольце.

Выводы
Использование частотного преобразователя не означает без проблем. Множество вопросов, на которые нужно обратить внимание при проектных работах. Будет ли необходимо, например, ограничивать доступную мощность на валу для предотвращения чрезмерного нагрева? Может оказаться необходимым работать на более низкой выходной мощности, чтобы избежать этой проблемы.

Изменится ли изоляция асинхронного двигателя от воздействия инвертора? Нужна ли фильтрация? Современные эффективные инверторы оказывают вредное влияние на изоляцию из-за высокой частоты коммутации и короткого времени нарастания напряжения.

Какую максимальную длину кабеля можно использовать без полного отражения напряжения? Амплитуда напряжения зависит как от длины кабеля, так и от времени нарастания. При очень коротком времени нарастания полное отражение будет происходить в кабелях длиной от 10 до 20 метров.

Может ли быть необходимо использовать изолированные подшипники для предотвращения попадания тока нулевой последовательности в подшипники?

Только когда мы избавимся от всех этих вопросов, мы сможем принимать правильные решения об использовании преобразователя частоты.