Как выбрать преобразователь частоты для асинхронного двигателя

выбор и расчёт, управление, сборка своими руками

Одним из главных недостатков асинхронных двигателей является сложность регулировки частоты вращения. Изменять её можно тремя способами: изменением количества пар полюсов, изменением скольжения и изменением частоты. В последнее время для регулирования скорости вращения асинхронного короткозамкнутого двигателя частоту тока меняют с помощью частотных преобразователей для электродвигателя.

Понятие о принципе работы частотника

В последнее время на производстве стали широко использоваться высокочастотники, у многих неопытных новичков, встречающих их на практике, часто возникает вопрос, что такое частотный преобразователь и для чего он нужен. Достоинствами частотного привода для электродвигателя являются:

снижение электропотребления двигателем;
улучшение показателей работы: плавность запуска и регулировки скорости вращения;
исключение возможных перегрузок.

Плавность пуска обеспечивается преобразователем благодаря снижению с его помощью пускового тока, который без частотника превышает номинальный ток в 5–7 раз.

Основными частями в устройстве преобразователя являются инвертор и конденсаторы. Инвертор обычно выполнен из диодных мостов. Его задача — выпрямить напряжение на входе, которое может принимать значение 220В или 380В в зависимости от количества фаз, но сохранить при этом пульсации. Затем конденсаторы выпрямленное напряжение сглаживают и фильтруют.

Потом постоянный ток отправляется на микросхемы и выходные мостовые IGBT-ключи. Обычно мостовой IGBT-ключ — это шесть транзисторов, соединённых по мостовой схеме. Защиту от пробоя напряжения обратной полярности осуществляют диоды. В более ранних схемах вместо транзисторов были использованы тиристоры, значительными недостатками которых были некоторая замедленность в работе и помехи.

Благодаря этим устройствам возникает широтно-импульсная последовательность с необходимой частотой. На выходе частотника импульсы напряжения имеют прямоугольный вид. А после того как они проходят через обмотку статора, вследствие её индуктивности, принимают синусоидальный вид.

Чтобы понять, зачем нужен инвертор, необходимо уяснить, что ток бывает постоянным и переменным. И если преобразователи частоты используются при работе с переменным током, то для управления электромотором постоянного тока необходим электропривод постоянного тока. Он называется инвертором и его назначением в схеме является контроль тока возбуждения. И он также независимо от изменений нагрузки может поддерживать скорость вращения ротора в требуемых пределах и осуществлять его торможение.

Советы по выбору частотников

При выборе частотника наиболее низкая стоимость определена набором минимальных функций. Рост стоимости пропорционален их увеличению.

Первоначально преобразователи классифицируют по мощности. Не менее важными параметрами являются перегрузочная способность и тип исполнения.

Мощность частотника должна быть не меньше максимальной мощности установки. Для оперативного ремонта или замены в случае поломки частотного привода для электромотора желательно, чтобы сервис-центр был расположен в непосредственной близости.

При выборе преобразователя немаловажным фактором является его напряжение. Если подобрать частотник определённого напряжения, а в сети оно окажется более низким, то он будет отключаться. Если же напряжение сети будет длительно допускать допустимое напряжение, то это приведёт к его повреждению и невозможной дальнейшей работе. С учётом этих рисков нужно выбирать частотники с большим интервалом допустимого напряжения.

Существует два типа управления преобразователей: векторное и скалярное.

При скалярном управлении удерживается постоянство между значением напряжения и частоты на выходе. Это наиболее простой тип частотников, и, вследствие этого, более дешёвый.

При векторном управлении из-за снижения статической ошибки управление осуществляется более точно. Но и стоимость асинхронного преобразователя частоты с этим видом управления более высока в сравнении со скалярным управлением.

Зона регулирования частоты тока должна быть в необходимых пределах. Для диапазонов с регулировкой по частоте более, нежели в 10 раз лучше выбрать векторное управление.

Количество вводов должно быть оптимальным, потому как при слишком большой их численности цена прибора для изменения частоты будет неоправданно завышена, а также могут возникнуть некоторые сложности при его настройке.

Необходимо учесть перегрузочные способности частотника по току и мощности. Ток частотника должен быть чуть больше, нежели номинальный ток двигателя. В случае возникновения ударных нагрузок необходим запас по пиковому току, который должен быть не менее 10% от ударного тока.

Расчёт частотника для электродвигателя

Для того чтобы преобразователь частоты имел возможность работать надёжно и соблюдать заданные значения, необходимо рассчитать его основные параметры:

тип исполнения;
ток;
мощность.

Расчёт тока преобразователя производится по формуле:

где Р – номинальная мощность двигателя, квт;

U – напряжение, В

сosφ – значение коэффициента мощности

Правильный выбор мощности прибора для изменения частоты сказывается на эффективности работы установки. При заниженной мощности частотного преобразователя производительность оборудования будет невысокой. Длительные перегрузки при работе могут привести к поломке преобразователя частоты.

При завышенной мощности частотного преобразователя и скачках напряжения или перегрузке не сработает защита электродвигателя, что приведёт к его повреждению. U

Мощность частотника должна быть больше номинальной мощности соответствующего двигателя на 15%.

Необходимые материалы для самодельного частотника

Изготовить частотник своими руками практически возможно. Для этого нужно определиться с основными деталями, приобрести их, изучить схему сборки. Затем приступить к процессу изготовления.

В начале работы необходимо запастись двумя платами. На одной из плат необходимо установить микроконтроллер и индикатор. На второй — транзисторы, диодный мост, входные клеммы, блок питания и драйвер. Между собой платы необходимо соединять гибким проводом.

Питания будет производиться с помощью импульсного блока.

Для управления маломощным мотором достаточно будет установки токового шунта и подключённого к нему усилителя DA-1. Сечение жил токового шунта составляет полмиллиметра. Для двигателей с более высокой мощностью установки токового шунта недостаточно и поэтому необходимо устанавливать трансформатор.

При мощности двигателей более 0,4 КВт необходима установка термодатчиков.

Микросхема IL300 с линейной развязкой позволяет контролировать параметры электродвигателя.

Оптроны типа ОС2–4 необходимы для дубляжа управляющих кнопок.

В результате эксплуатации вследствие большой протяжённости проводов могут возникать помехи. Устранить их можно с помощью специальных колец для удаления помех.

Подключение и настройка

При подключении асинхронного преобразователя частоты в сеть однофазного тока клеммы двигателя необходимо соединить в «треугольник». Эта схема соединения подразумевает присоединение конца и начала соседних обмоток. Напряжение питания при этом будет 220 В. Выходной ток необходимо удерживать в пределах не более половины его номинального значения.

Если частотник подключается к трехфазной сети, то клеммы двигателя соединяются в «звезду». При этой схеме соединения концы трёх фаз обмоток соединяются в одну точку. Напряжение от сети принимает значение 380В.

Очерёдность подключения общей электрической цепи будет следующей:

дифференциальный автоматический выключатель, ток которого совпадает с номинальным током двигателя;
преобразователь частоты;
электродвигатель.

При работе с трехфазной сетью автоматический выключатель должен быть снабжён общим рычагом по всем трём фазам. В таком случае перегрузка одной из фаз будет устранена выключением всего питания. Допустимый ток срабатывания должен быть рассчитан на основе значения тока двигателя в одной фазе.

При установке преобразователя в однофазную сеть допустимый ток автоматического выключателя должен превышать в три раза значение фазного тока.

Подключается преобразователь к электромотору с помощью магнитного пускателя. Выбирается магнитный пускатель по напряжению сети и номинальному току.

Перед монтажом пульта управления его рычаг должен быть в положении «Выключено». При включении рычага обязательным условием есть появление сигнала на световом индикаторе. Клавишей RUN производится запуск частотника. А рукоятка пульта управления контролирует изменение числа оборотов ротора двигателя.

Следует с особым вниманием изучить значение частоты на частотнике, так как на одних моделях указывается частота вращения ротора электродвигателя, а на других приведена частота тока преобразователя.

Настройка частотного преобразователя для электродвигателя начинается с внимательного изучения инструкции, так как в ней указана последовательность этих операций.

Для того чтобы настроить частотный преобразователь для электродвигателя, необходимо произвести правильный выбор типа проводов и верный размер их сечения.

Перед настройкой частотника необходимо правильно обнаружить и подключить входные и выходные клеммы. Входные клеммы маркируются буквой L с указанием нумерации фазы. Выходные клеммы обозначены латинскими буквами — U, V, W.

Так как параметров у преобразователя заводского исполнения довольно-таки много, частично его настройка производится на заводе. Остальные параметры настраиваются вручную. Основные этапы настройки частотного преобразователя:

подача питания на частотный преобразователь;
выбор определённого режима работы;
установка значений рабочих характеристик оборудования.

Эксплуатация частотника

Правильный порядок эксплуатации преобразователя частоты заключается в выполнении основных операций:

Систематическая очистка частотного привода для электродвигателя от пыли и грязи.
Регулярно менять детали, срок годности которых истекает.
Постоянный контроль напряжения и температуры.
Работа устройства должна проходить при заданных условиях: не превышать допустимый уровень пыли, влажности, температуры окружающей среды.

Нежелательным является попадание прямых солнечных лучей на частотник, отсутствие достаточной вентиляции. Материалы и жидкости, которые достаточно легко воспламеняются, не должны находиться рядом с ним. В помещении регулярно должна проводиться обработка против грызунов. Место установки частотного привода для электродвигателя не должно иметь шероховатостей, позволять вибрации.

Частотники для двигателя мощностью около 3 КВт являются наиболее распространёнными ввиду компактности, относительно невысокой цены, простоты установки и обслуживания

Собирать вручную частотники для двигателей мощностью 3 КВт и больше нет смысла — они будут довольно дорогими по цене и не всегда обеспечивать необходимую точность в работе.

Для двигателей мощностью 3 КВт преобразователи частоты находят применение:

в системах вентиляции для контроля скорости вращения вентилятора;
для одновременности работы принимающего и подающего конвейеров;
для подачи сырья с контролем его объёма;
для управления несколькими насосами;
для контроля работы погружным насосом;
для регулировки скорости подачи сырья в дробилках.

Частотники для двигателей большей мощности отличаются величиной максимальной выходной частоты, наличием фильтра электромагнитной совместимости (ЕМС), видом режима управления.

Например, у частотного привода для электродвигателя мощностью 15 КВт максимальная выходная частота меньше, нежели у преобразователя для двигателя мощностью 3 КВт. ЕМС фильтр для такого двигателя не предусмотрен. Режим управления только скалярный.

Как выбрать преобразователь частоты

Преобразователь частоты может помочь вам изменить 60 Гц на 50 Гц, а также может повысить напряжение с 110 В до 220 В с помощью внутреннего повышающего трансформатора, и наоборот. Перед покупкой преобразователя частоты лучше понять, с какими нагрузками он будет связан. Существует пять распространенных форм нагрузки: 1, резистивная нагрузка; 2, индуктивная нагрузка; 3, емкостная нагрузка: 4, выпрямительная нагрузка; 5 - регенеративная нагрузка; 6, смешанные загрузки. Подбирать мощность преобразователя частоты следует в соответствии с нагрузкой и типом.

Выбор мощности преобразователя частоты

Преобразователи частоты серии

GoHz HZ-50 и HZ-60 не имеют особых требований к типам нагрузки, они могут использоваться для резистивных, индуктивных, емкостных, выпрямительных и смешанных нагрузок. Технические параметры проверены на основе стандартных условий номинальной резистивной нагрузки, преобразователь частоты может работать в течение длительного времени в этих условиях. Но, учитывая колебания напряжения в электросети, пусковой ток и факторы кратковременной перегрузки, следует сохранять соответствующий запас в выборе мощности преобразователя частоты.Вот несколько рекомендаций от производителей:

Активная нагрузка : допустимая мощность = 1,1 × допустимая мощность нагрузки.

RC нагрузка : Мощность = 1,1 × полная мощность нагрузки.

Нагрузка двигателя : Пусковой ток двигателя составляет прибл. В случае жесткого пуска (прямого пуска) в 5-7 раз больше номинального тока, время пуска обычно в пределах 2 секунд. Перегрузочная способность преобразователя частоты обычно составляет 200% в течение нескольких миллисекунд до срабатывания защиты от перегрузки.Поэтому, учитывая пусковую мощность, рекомендуется выбирать мощность преобразователя частоты, в 6 раз превышающую мощность двигателя, если двигатель запускается с трудом, то есть номинальный ток преобразователя должен быть выше пускового тока нагрузки. В противном случае лучше установить на двигатель устройство плавного пуска или частотно-регулируемый привод.

Нагрузка выпрямителя : входная цепь включает выпрямительный диод (или тиристор) и конденсаторы фильтра, если входная цепь не имеет устройства плавного пуска, нагрузка может рассматриваться как короткое замыкание во время замыкающего момента входного переключателя, которое будет генерировать сильный ударный ток, вызывающий срабатывание максимальной токовой защиты преобразователя частоты.Если часто возникает большой пусковой ток, это также влияет на цепь нагрузки. Следовательно, входная цепь нагрузки выпрямителя должна принимать меры плавного пуска для ограничения пускового тока.

Поскольку ток нагрузки выпрямителя является импульсным, пик-фактор тока составляет до 3–3,5 раз, поэтому он будет влиять на форму выходного напряжения в долгосрочной перспективе, причем влияние зависит от пик-фактора тока нагрузки. Обычно, когда пик-фактор тока> 2:00, выберите допустимую мощность преобразователя частоты по следующей формуле: Допустимая мощность = пик-фактор тока нагрузки / 2 × полная мощность нагрузки .

Рекуперативная нагрузка : например, реверсивный двигатель, нагрузки двигателя с регулируемой скоростью, во время реверсирования двигателя будет высокая обратная ЭДС, что может легко повредить преобразователь частоты, пожалуйста, укажите это перед заказом преобразователя частоты для таких нагрузок.

Смешанная нагрузка : учитывайте долю мощности каждой нагрузки, чтобы выбрать подходящий преобразователь частоты.

Напряжение и частота преобразователя частоты
Заводское значение входного напряжения по умолчанию составляет 220 В для однофазного, 380 В для трехфазного, 50 Гц или 60 Гц.Если вам необходимо изменить входное напряжение преобразователя частоты или у вас есть особые требования, укажите это при заказе.

Купить преобразователь частоты на ГГц, 1 кВА, 5 кВА ...

Основы преобразователя частоты

Для обеспечения высокой эффективности, отличной управляемости и энергосбережения в приложениях, связанных с промышленными асинхронными двигателями, необходимо использовать системы регулируемых преобразователей частоты. Система преобразователя частоты в настоящее время представляет собой двигатель переменного тока, питаемый от статического преобразователя частоты. Современный преобразователь частоты отлично подходит для двигателей переменного тока и прост в установке. Однако одна важная проблема связана с несинусоидальным выходным напряжением. Этот фактор вызвал массу нежелательных проблем.Повышенные потери в асинхронном двигателе, шум и вибрация, пагубное воздействие на систему индукционной изоляции и выход из строя подшипников являются примерами проблем систем, связанных с преобразователями частоты. Повышенные индукционные потери означают снижение выходной мощности индукции для предотвращения перегрева. Лабораторные измерения показывают, что повышение температуры может быть на 40% выше при использовании преобразователя частоты по сравнению с обычными источниками питания. Постоянные исследования и совершенствование преобразователей частоты помогли решить многие из этих проблем.К сожалению, кажется, что решение одной проблемы акцентировало внимание на другой. Снижение потерь в индукции и преобразователе частоты ведет к увеличению вредного воздействия на изоляцию. Производители индукционных устройств, конечно, знают об этом. На рынке начинают появляться новые индукционные конструкции (инверторно-резистивные двигатели). Лучшая изоляция обмотки статора и другие конструктивные улучшения гарантируют, что асинхронные двигатели будут лучше адаптированы для применений с преобразователями 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 количества полюсов - 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 преобразуется в постоянное напряжение.
Постоянное напряжение преобразуется в переменное напряжение желаемой частоты.

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

Различные типы преобразователей частоты
Инвертор источника напряжения PWM (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, превышающий номинальный ток ШИМ-преобразователя. Вполне возможно запустить индукцию 20 кВт с преобразователем PWM на 100 кВт. Это большое преимущество, которое упрощает работу приложения.

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

Инвертор источника тока (CSI)
Инвертор источника тока представляет собой грубую и довольно простую конструкцию по сравнению с ШИМ. В цепях питания используются простые тиристоры или тиристоры, что делает его намного дешевле. Кроме того, он очень надежен. Конструкция обеспечивает защиту от короткого замыкания благодаря большим индукторам в звене постоянного тока. Он крупнее ШИМ.

Раньше 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 перевернутой цепи.

Инвертор источника тока подает на асинхронный двигатель ток квадратной формы. На низких скоростях индукция создает зубцовый момент. Этот тип преобразователя частоты будет создавать больше шума на источнике питания по сравнению с преобразователем PWM. Нужна фильтрация.

Сильные переходные процессы выходного напряжения являются дополнительным недостатком инвертора источника тока.В худших случаях переходные процессы могут почти в два раза превышать номинальное напряжение. Также существует риск преждевременного износа изоляции обмотки при использовании этого преобразователя частоты. Этот эффект наиболее серьезен, когда нагрузка не соответствует преобразователю частоты должным образом. Это может произойти при работе с частичной нагрузкой. Этот вид преобразователя частоты все больше теряет свою популярность.

Векторное управление потоком (FVC)
Управление вектором магнитного потока - это более сложный тип преобразователя частоты, который используется в приложениях, требующих экстремального управления.Например, на бумажных фабриках необходимо очень точно контролировать скорость и силу растяжения.

Преобразователь частоты FVC всегда имеет какой-то контур обратной связи. Такой тип преобразователя частоты обычно не представляет особого интереса для насосов. Это дорого, и его преимуществами нельзя воспользоваться.

Влияние на двигатель
Индукция лучше всего работает при питании от источника чистого синусоидального напряжения. Чаще всего это происходит при подключении к надежному источнику питания от электросети.

Когда индукция подключена к преобразователю частоты, на него будет подаваться несинусоидальное напряжение - больше похожее на напряжение с прерванным квадратом. Если мы подадим 3-фазную индукцию с симметричным 3-фазным квадратичным напряжением, все гармоники, кратные трем, а также четные числа будут исключены из-за симметрии. Но остались цифры 5, 7 и 11, 13 и 17, 19 и 23, 25 и так далее. Для каждой пары гармоник меньшее число вращается в обратном направлении, а большее число - в прямом.

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

С точки зрения гармоник кажется, что индукция заблокировала ротор, что означает, что скольжение для гармоник составляет приблизительно 1. Это не дает никакой полезной работы. В результате в основном возникают потери в роторе и дополнительный нагрев. В частности, в нашем приложении это серьезный исход. Однако с помощью современных технологий можно устранить большую часть гармоник в индукционном токе, тем самым уменьшив дополнительные потери.

Преобразователь частоты до
Первые преобразователи частоты часто использовали простое прямоугольное напряжение для питания асинхронного двигателя. Они вызвали проблемы с нагревом, и индукция работала с типичным шумом, вызванным пульсацией крутящего момента. Намного лучшая производительность была достигнута, если просто исключить пятый и седьмой. Это было сделано за счет дополнительного переключения сигнала напряжения.

Преобразователь частоты сегодня
В наши дни эта техника стала более сложной, и большинство недостатков остались в прошлом.Разработка быстрых силовых полупроводников и микропроцессора позволила адаптировать схему переключения таким образом, чтобы исключить большинство вредных гармоник.

Для преобразователей частоты среднего диапазона мощности (до нескольких десятков кВт) доступны частоты коммутации до 20 кГц. Индукционный ток с этим типом преобразователя частоты будет иметь форму синуса.

При высокой частоте коммутации индукционные потери остаются низкими, но потери в преобразователе частоты увеличиваются.Общие потери увеличиваются при чрезмерно высоких частотах переключения.

Некоторые основы 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

Для достижения наилучших характеристик на различных скоростях становится необходимым поддерживать соответствующий уровень намагничивания для индукции для каждой скорости.

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

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

Если мы посмотрим на рисунок, то 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 невозможность поддерживать необходимый крутящий момент без увеличения тока. Это приведет к проблемам с нагревом того же типа, что и при нормальном пониженном напряжении от синусоидальной электросети. Скорее всего, будет превышен номинальный ток преобразователя частоты.

Работа в диапазоне ослабления поля
Иногда возникает соблазн запустить насос на частотах выше частоты промышленной сети, чтобы достичь рабочей точки, которая в противном случае была бы невозможна. Это требует дополнительной осознанности. Мощность на валу насоса будет увеличиваться в кубе скорости. Превышение скорости на 10% потребует на 33% больше выходной мощности. Грубо говоря, можно ожидать, что рост температуры увеличится примерно на 75%.

Тем не менее, есть предел тому, 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 пропадет, если преобразователь частоты не сможет поддерживать ее с напряжением, которое соответствует необходимому крутящему моменту.

Снижение номинальных характеристик
Во многих случаях индукция работает на максимальной мощности от синусоидальной электросети, и любой дополнительный нагрев недопустим. Если такая индукция питается от какого-либо преобразователя частоты, то, скорее всего, она должна работать с меньшей выходной мощностью, чтобы избежать перегрева.

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

Для компенсации лишних потерь необходимо уменьшить выходную мощность. Мы рекомендуем общее снижение характеристик на 10–15% для больших насосов.

Поскольку преобразователь частоты загрязняет питающую сеть гармониками, энергокомпания иногда предписывает входной фильтр.Этот фильтр снижает доступное напряжение обычно на 5–10%. Следовательно, индукция будет работать при 90–95% номинального напряжения. Следствие - дополнительный нагрев. Может потребоваться снижение номинальных характеристик.

Пример
Предположим, что выходная мощность фактического двигателя насоса составляет 300 кВт при 50 Гц, а повышение температуры составляет 80 ° C при использовании синусоидальной электросети. Дополнительные потери на 30% приведут к нагреву на 30%. Консервативное предположение состоит в том, что повышение температуры зависит от квадрата мощности на валу.

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

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

Уменьшение может быть достигнуто либо за счет уменьшения диаметра рабочего колеса, либо за счет снижения скорости.

Преобразователь частоты Потери
Когда определяется общий КПД системы преобразователя частоты, необходимо учитывать внутренние потери преобразователей частоты. Эти потери преобразователя частоты непостоянны, и их нелегко определить.Они состоят из постоянной части и части, зависящей от нагрузки.

Постоянные потери:
Потери на охлаждение (вентилятор охлаждения) - потери в электронных схемах и так далее.

Потери, зависящие от нагрузки:
Коммутационные потери и свинцовые потери в силовых полупроводниках.

На следующем рисунке показан КПД преобразователя частоты как функция частоты при кубической нагрузке для блоков мощностью 45, 90 и 260 кВт. Кривые характерны для преобразователей частоты в диапазоне мощностей 50–300 кВт; с частотой коммутации около 3 кГц и с IGBT второго поколения.

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

dU / dT = 5000 В / мкс - обычное значение.

Такой крутой скачок напряжения вызовет чрезмерное напряжение в изоляционных материалах индукционной обмотки. При малом времени нарастания напряжение в обмотке статора не распределяется равномерно. При синусоидальном источнике питания напряжение между витками индукционной обмотки обычно равномерно распределяется.С другой стороны, с преобразователем частоты до 80% напряжения будет падать на первом и втором витках. Поскольку изоляция между проводами является слабым местом, 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, подаваемая от преобразователя частоты на 690 вольт, может подвергаться воздействию напряжения до 1900 вольт 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.

Для обеспечения работы и длительного срока службы двигателя абсолютно необходимо, чтобы обмотка была адаптирована для использования с преобразователем частоты. Индукторы для напряжений выше 500 вольт должны иметь усиленную изоляцию. Обмотка статора должна быть пропитана смолой, обеспечивающей изоляцию без пузырьков или полостей.Тлеющие разряды часто начинаются вокруг полостей. Это явление в конечном итоге приведет к разрушению изоляции.

Есть способы защитить двигатель. Помимо усиленной системы изоляции, может потребоваться установка фильтра между преобразователем частоты и индукцией. Такие фильтры можно приобрести у большинства известных поставщиков преобразователей частоты.

Фильтр обычно замедляет время нарастания напряжения с

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

Выход из строя подшипника
Поломка вращающегося оборудования часто может быть связана с поломкой подшипника.Помимо чрезмерного нагрева, недостаточной смазки или усталости металла, электрический ток через подшипники может быть причиной многих загадочных поломок подшипников, особенно при больших индукциях. Это явление обычно вызвано несимметрией магнитной цепи, которая индуцирует небольшое напряжение в структуре статора, или током нулевой последовательности. Если потенциал между конструкцией статора и валом становится достаточно высоким, через подшипник будет происходить разряд.Небольшие электрические разряды между телами качения и дорожкой качения подшипника в конечном итоге могут повредить подшипник.

Использование преобразователей частоты увеличивает вероятность отказа подшипников такого типа. Технология переключения современного преобразователя частоты вызывает ток нулевой последовательности, который при определенных обстоятельствах проходит через подшипники.

Самый простой способ решить эту проблему - поставить преграду для тока. Обычный метод заключается в использовании подшипника с изолирующим покрытием на наружном кольце.

Выводы
Использование преобразователя частоты не означает беспроблемного использования. Множество вопросов, на которые необходимо обратить внимание при проектировании. Будет ли необходимо, например, ограничивать доступную мощность на валу для предотвращения чрезмерного нагрева? Во избежание этой проблемы может оказаться необходимым работать с меньшей выходной мощностью.

Будет ли изоляция асинхронного двигателя сопротивляться воздействию инвертора? Нужна ли фильтрация? Современные эффективные инверторы оказывают пагубное влияние на изоляцию из-за высокой частоты переключения 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.

Можно ли использовать изолированные подшипники, чтобы предотвратить попадание тока нулевой последовательности в подшипники?

Только когда мы решим все эти вопросы, мы сможем принимать правильные решения относительно использования преобразователя частоты.

Введение в контроллер частотно-регулируемого привода для асинхронного двигателя

Введение

Однофазные асинхронные двигатели широко используются в бытовой технике и промышленных устройствах управления. Однофазный асинхронный двигатель с постоянным разделенным конденсатором (PSC) является самым простым и наиболее широко используемым двигателем этого типа.

По своей конструкции двигатели PSC однонаправленные, что означает, что они предназначены для вращения в одном направлении. Направление вращения можно изменить путем добавления дополнительных обмоток, внешних реле и переключателей или использования зубчатых передач.В этой идее мы подробно обсудим, как управлять скоростью двигателя PSC в обоих направлениях с помощью микроконтроллера PIC16F72 и силовой электроники.

Микроконтроллер PIC16F72 был выбран потому, что это один из самых простых и недорогих микроконтроллеров общего назначения, которые Microchip имеет в своем портфолио. Несмотря на то, что он не имеет аппаратных ШИМ для управления дополнительными выходами ШИМ со вставленной зоной нечувствительности, все ШИМ генерируются в прошивке с использованием таймеров и выводятся на выходные выводы общего назначения.

Что такое частотно-регулируемый привод?

Частотно-регулируемый привод или ЧРП - это способ, который позволяет управлять скоростью асинхронного двигателя, применяя переменную частоту переменного напряжения питания. Управляя выходной частотой переменного тока, можно управлять двигателем с разными скоростями в зависимости от требований. Это приводы с регулируемой скоростью, которые широко используются в промышленных приложениях, таких как насосы, системы вентиляции, лифты, приводы станков и т. Д. Это, по сути, энергосберегающая система.Поэтому первое требование - это генерировать синусоидальную волну с разными частотами для VFD.

Какая технология используется в ЧРП?

Это система, которая выдает выход переменного тока с переменной частотой для управления скоростью двигателя в соответствии с потребностями. Однофазные преобразователи частоты более распространены, поскольку большинство устройств работают от однофазного источника переменного тока. Он состоит из двухполупериодного мостового выпрямителя для преобразования 230/110 В переменного тока примерно в 300/150 В постоянного тока.Выходной постоянный ток от мостового выпрямителя сглаживается сглаживающим конденсатором большой емкости для устранения пульсаций переменного тока. Это постоянное постоянное напряжение затем подается в схему генерации частоты, образованную транзисторами MOSFET (металлооксидный полевой транзистор) / IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором). Эта схема MOSFET / IGBT принимает постоянный ток и преобразует его в переменный ток с переменной частотой для управления скоростью устройства.

Изменение частоты может быть достигнуто с помощью электронных схем или микроконтроллера.Эта схема изменяет частоту напряжения (ШИМ), подаваемого на привод затвора схемы MOSFET / IGBT. Таким образом на выходе появляется переменное напряжение переменной частоты. Микроконтроллер можно запрограммировать на изменение выходной частоты в соответствии с потребностями.

Система ЧРП:

Устройство переменной частоты состоит из трех частей, таких как двигатель переменного тока, контроллер и рабочий интерфейс.

Двигатель переменного тока, используемый в частотно-регулируемом приводе, обычно является трехфазным асинхронным двигателем, хотя в некоторых системах используется однофазный двигатель.Обычно используются двигатели, предназначенные для работы с фиксированной скоростью, но некоторые конструкции двигателей обеспечивают лучшую производительность в VFD, чем стандартная конструкция.

Контроллер представляет собой твердотельную схему электронного преобразователя мощности для преобразования переменного тока в постоянный, а затем в квазисинусоидальный переменный ток. Первая часть - это секция преобразователя переменного тока в постоянный, имеющая двухполупериодный выпрямительный мост, обычно трехфазный / однофазный двухполупериодный мост. Этот промежуточный постоянный ток затем преобразуется в квазисинусоидальный переменный ток с помощью схемы переключения инвертора.Здесь MOSFET / IGBT-транзисторы используются для преобразования постоянного тока в переменный.

Секция инвертора преобразует постоянный ток в три канала переменного тока для привода трехфазного двигателя. Секция контроллера также может быть спроектирована так, чтобы обеспечить улучшенный коэффициент мощности, меньшие гармонические искажения и низкую чувствительность к переходным процессам входного переменного тока.

Управление вольт / Гц:

Схема контроллера регулирует частоту переменного тока, подаваемого на двигатель, с помощью метода управления вольт на герц. Электродвигатель переменного тока требует переменного подаваемого напряжения при изменении частоты для достижения заданного крутящего момента.Например, если двигатель рассчитан на работу от 440 вольт при 50 Гц, то переменный ток, подаваемый на двигатель, должен быть уменьшен до половины (220 вольт), когда частота изменяется на половину (25 Гц). Это регулирование основано на вольт / Гц. В приведенном выше случае соотношение составляет 440/50 = 8,8 В / Гц.

Другие методы управления напряжением:

Помимо управления вольт / Гц, для управления скоростью двигателя также используются более продвинутые методы, такие как прямое управление крутящим моментом или DTC, пространственно-векторная широтно-импульсная модуляция (SVPWM) и т. Д.Управляя напряжением в двигателе, можно точно контролировать магнитный поток и крутящий момент. В методе ШИМ инверторные переключатели создают квазисинусоидальную волну через серию узких импульсов с псевдосинусоидальной изменяющейся длительностью импульсов.

Рабочий интерфейс:

Этот раздел позволяет пользователю запускать / останавливать двигатель и регулировать скорость. Другие возможности включают реверсирование двигателя, переключение между ручным и автоматическим управлением скоростью и т. Д. Рабочий интерфейс состоит из панели с дисплеем или индикаторами и измерителями для отображения скорости двигателя, приложенного напряжения и т. Д.Для управления системой обычно предоставляется набор клавишных переключателей.

Встроенный мягкий пуск:

В обычном асинхронном двигателе, включенном с помощью переключателя переменного тока, потребляемый ток намного превышает номинальное значение и может увеличиваться с увеличением ускорения нагрузки для достижения полной скорости двигателя. .

С другой стороны, в двигателе, управляемом частотно-регулируемым приводом, сначала применяется низкое напряжение с низкой частотой. Эта частота и напряжение увеличиваются с контролируемой скоростью для ускорения нагрузки.Это развивает крутящий момент, почти превышающий номинальное значение двигателя.

Коммутация двигателя с частотно-регулируемым приводом :

Частота и подаваемое напряжение сначала снижаются до контролируемого уровня, а затем продолжают уменьшаться, пока оно не станет равным нулю и двигатель не отключится.

Прикладная схема для управления скоростью однофазного асинхронного двигателя

Этот подход относительно прост в том, что касается силовой цепи и цепи управления. На входе используются удвоители напряжения, а на выходе - H-мост или двухфазный инвертор, как показано на рисунке 2.Один конец основной и пусковой обмоток подключается к каждому полумосту, а другой конец подключается к нейтральной точке источника питания переменного тока.

Для схемы управления требуется четыре ШИМ с двумя дополнительными парами с достаточной зоной нечувствительности между дополнительными выходами. Мертвая зона ШИМ - это PWM0-PWM1 и PWM2-PWM3. PIC16F72 не имеет ШИМ, разработанных на оборудовании для вывода нужным нам образом. Что касается VF, шина постоянного тока синтезируется путем изменения частоты и амплитуды.Это даст два синусоидальных напряжения в противофазе.

Если напряжение, приложенное к основной обмотке, отстает от пусковой обмотки на 90 градусов, двигатель вращается в одном (т. Е. Вперед) направлении. Если мы хотим изменить направление вращения, тогда напряжение, приложенное к основной обмотке, должно проводить пусковую обмотку.

Надеюсь, вы получили представление о частотно-регулируемом приводе для асинхронного двигателя из этой статьи. Поэтому, если у вас есть какие-либо вопросы по этой концепции или электрическому и электронному проекту, оставьте, пожалуйста, раздел комментариев ниже.

Регулировка скорости асинхронного двигателя с помощью частотного регулятора

Управление переменной частотой - это метод, который используется для управления скоростью асинхронного двигателя. Синхронной скоростью и, следовательно, скоростью двигателя можно управлять путем изменения частоты питания. Синхронная скорость асинхронного двигателя задается соотношением, показанным ниже.

ЭДС, индуцированная в статоре асинхронного двигателя, определяется уравнением, показанным ниже.

Следовательно, при изменении частоты питания наведенная ЭДС также изменится, чтобы сохранить тот же поток в воздушном зазоре. Напряжение на зажимах V ₁ равно наведенной ЭДС E ₁, если пренебречь падением напряжения статора.

Чтобы минимизировать потери и избежать насыщения, двигатель работает с номинальным потоком в воздушном зазоре. Это условие достигается изменением напряжения на клеммах с частотой, чтобы поддерживать постоянное отношение (V / f) при значении скорости.Этот тип управления известен как постоянное напряжение на герц.

Таким образом, для управления скоростью асинхронного двигателя с использованием источника питания переменной частоты требуется источник питания с переменным напряжением. Электропитание переменной частоты обеспечивается следующими преобразователями.

Источник напряжения инвертор
Источник тока инвертор
Циклопреобразователь

Инвертор преобразует постоянное постоянное напряжение в постоянное или переменное напряжение переменного тока с переменной частотой. Циклопреобразователь преобразует переменный ток фиксированного напряжения и фиксированной частоты в переменное напряжение и переменную частоту.

Регулировка частоты позволяет добиться хорошей работы и переходных характеристик асинхронного двигателя с кожухом. Привод с асинхронным двигателем, управляемый циклопреобразователем, подходит только для приводов большой мощности и для получения более низких скоростей.