Преобразователи частоты: устройство, виды, подключение и настройка

Содержание:
1. Устройство и принцип действия
2. Виды преобразователей частоты
2.1 Электромашинные или индукционные модели
2.2 С промежуточным звеном постоянного тока
2.3 С непосредственной связью
3. Назначение и область применения преобразователей частоты
3.1 Режимы управления
4. Преимущества использования преобразователей частоты
5. Правила установки, подключения и настройки
5.1 Порядок подключения
5.2 Подключение выхода: ошибки и последствия
5.3 Зачем нужна настройка ЧП

Частотные преобразователи или частотники — это узко специализированная электронная аппаратура, предназначенная для изменения и контроля крутящего момента в асинхронных электромоторах. Приборы используют для плавного нарастания или снижения скорости вращения двигателя в зависимости от особенностей рабочего процесса, что заметно сокращает энергопотребление. Применение частотника — рациональный способ предотвратить преждевременный износ электрооборудования и отдалить дорогостоящий ремонт.

Повышенный спрос на ЧП обуславливается ситуациями, когда нужно подключить трёхфазный электрический движок к однофазной сети без потери мощности либо просто запитать двигатель переменного тока. Аппарат изменяет исходную частоту в широком диапазоне, что делает его незаменимым помощником в хозяйстве для владельцев загородных домостроений с автономным отоплением и водоснабжением.

Устройство и принцип действия

Электрическая схема преобразователя частоты состоит из двух структурных составляющих — силового и управляющего блока. Силовая часть работает за счёт транзисторов или тиристоров, управляющая функционирует на основе микропроцессоров.

Конструктивное исполнение включает:

• Входной выпрямитель, который с помощью полупроводниковых диодов преобразует переменный электрический ток в постоянный.
• Фильтр напряжения. Устройство служит инструментом контроля и управления токовым импульсом, не допускает перенапряжения на обмотках электродвигателя.
• Инвертор для преобразования постоянного тока в переменный.
• Управляющую систему. В блоке управления обрабатываются поступающие сигналы датчиков, осуществляется запись и сохранение полученных данных. Система управляет входным выпрямителем, предупреждает обрыв фазы и устраняет угрозу аварийной ситуации.

Таким образом, управляющий блок регулирует работу силового компонента и попутно выполняет дополнительные функции контроля, диагностики и защиты мотора от возникающих проблем.

Механизм действия частотного преобразователя основывается на двойной схеме трансформации формы напряжения сети. Первое выполняет входной выпрямитель, второе — инвертор. Процесс происходит в несколько этапов:

• Сначала напряжение поступает на выпрямительные диоды, где убираются синусоиды при сохранении пульсации сигнала.
• На втором этапе пульсации устраняются батареями конденсатора. Напряжение после прохождения через LC-фильтр приобретает стабильную сглаженную форму и с помощью мостовой микросхемы трансформируется в трёхфазную волну.
• На выходе постоянное напряжение преобразуется в прямоугольно-импульсное переменное необходимой частоты. Сведения о выходном токе процессору предоставляют датчики.

Виды преобразователей частоты

В линейке электротехнического оборудования бытовые и промышленные частотники представлены в широком видовом разнообразии. Предназначенные для конкретных условий эксплуатации изделия между собой различаются мощностью, массогабаритными параметрами, техническими характеристиками. Приборы:

• выпускаются в корпусе из высокопрочного пластика или оцинкованной стали с антикоррозионным покрытием;
• надёжно защищены от проникновения влаги и пылевых частиц;
• обладают стойкостью к механическим повреждениям;
• оснащаются дополнительными опциями.

В зависимости от типа управления, особенностей конструкции и принципа работы ПЧ делятся на несколько видов:

• электромашинные;
• электронные;
• непосредственные;
• с промежуточным звеном постоянного тока.

Каждый вид преобразователей имеет свои достоинства и недостатки, поэтому при выборе устройства учитывают тип электромотора и цели применения. Правильный ЧП гарантирует плавный запуск силового агрегата без пусковых токов, чем снижает нагрузку на узлы и механизмы, продлевает период работоспособности техники.

Электромашинные или индукционные модели

Частотниками индукционного типа называют электрические машины, принцип действия которых строится по схеме двойного преобразования электрической энергии. Сначала электроэнергия трансформируется в механическую, затем снова в электрическую с током другой частоты. Примером такого ПЧ может быть электродвигатель переменного тока либо электрогенератор.   

С промежуточным звеном постоянного тока

Частотные преобразователи данного вида выпускаются с управляемым и неуправляемым выпрямителем, работают по схеме двойного сигнала сети. На вход выпрямителя, который является управляемым (УВ), подаётся переменное напряжение определённой частоты, на выходе получается напряжение постоянного тока. Его значение определяет сигнал, идущий от блока управления. Поскольку выход УВ совпадает с входом инвертора (АИ), напряжение постоянного тока сразу преобразуется в переменное требуемой частоты. Для погашения пульсаций и уменьшения синусоидальных гармоник на выходе устанавливают фильтр.

Наличие промежуточного звена постоянного тока наделяет приборы рядом достоинств, в числе которых регулировка выходных частот в широком диапазоне и высокая скорость процесса регулировки. Небольшой минус в том, что по причине двойного преобразования поступающей энергии несколько увеличиваются потери электроэнергии и уменьшается коэффициент полезного действия.

С непосредственной связью

Отличительная характеристика электронных частотников с непосредственной связью — однократное преобразование напряжения. В конструкции таких приспособлений предусмотрены быстродействующие тиристоры и управляемый выпрямитель, который выступает в роли электрического модуля. Устройства работают по схеме поочерёдного открывания тиристоров и подключения обмоток электропривода к сети. Это позволяет увеличивать мощность при подсоединении двух или трёх приборов и обеспечивать бесперебойную работу оборудования на малых скоростях. Непосредственные частотники стоят недорого, они:

• надёжны, просты и комфортны в пользовании;
• позволяют получить неограниченное количество низких частот выходного напряжения;
• демонстрируют высокий КПД.

Однако такие ЧП редко применяют к электромоторам, изготовленным по прогрессивным технологиям последних лет.

Назначение и область применения преобразователей частоты

Неутихающий спрос на частотники обуславливается реалиями жизни и поддерживается широтой распространения асинхронных двигателей. Неприхотливые мощные движки востребованы для применения в быту, строительной и производственной сфере. Без выносливых электромоторов не обходится насосное и компрессорное оборудование, системы вентиляции, кондиционирования, отопления и водоснабжения.

Электромеханические приводы практически не имеют недостатков, но их убивают большие пусковые токи, в 6-8 раз превышающие номинальные значения, а скорость вращения вала зависит от частоты питающего напряжения. Все заботы о плавном запуске двигателя, устранении скачков тока, защите крыльчатки, подшипников и всего оборудования в целом берут на себя частотные преобразователи.

Сфера применения устройств постоянно расширяется. Частотники применяют для:

• стабильного функционирования лифтового оборудования, конвейеров, транспортёров;
• регулировки и контроля скорости центрифуг, экструдеров, мельниц, дробилок;
• сглаживания рывков грузоподъёмной техники, работа которой сопровождается изменениями нагрузки и частыми пусками-остановками;
• повышения эффективности использования насосных установок и нагнетательных вентиляторов;
• регулирования работы высокочастотных промышленных станков;
• оптимизации деятельности различных оборудования, оснащённого асинхронными двигателями.

Факты для примера. Благодаря снижению скорости насоса на 20% без потери производительности с помощью частотного преобразователя, используемого вместо дроссельных клапанов, можно сэкономить 50-70% электроэнергии. При этом увеличить период службы крыльчатки на 2-3 года, отдалить износ уплотнителей и шарикоподшипников. Стоимость преобразователя частоты с лихвой окупается за 2-3 года.

Режимы управления

В процессе работы частотник оперативно контролирует запуск и выключение силового агрегата, настройку скорости, аварийное снятие электропитания. Любые изменения в действиях ПЧ выполняются по сигналу управляющего блока либо внешних контролирующих устройств. Для регулирования работы преобразователя применяются следующие режимы управления:

• с помощью клавиатуры на собственной панели прибора;
• путём применения пульта ДУ;
• за счёт изменения рабочей скорости электромотора через аналоговый вход;
• с применением дискретных входов;
• посредством последовательного интерфейса RS-485, RS-232 либо им подобного.

Наиболее понятный и доступный способ регулировки механизма действия частотника закладывается заводом-изготовителем и производится с панели управления. Запуск двигателя в работу начинается с нажатия кнопки «пуск», остановка — кнопкой «стоп». После плавного разгона мотор работает с заданной скорость, не требуя каких-либо манипуляций со стороны оператора.

В отличие от панели управления, пульт ДУ оснащается кабелем длиной до 500 м, по которому получает команды от последовательного интерфейса. Хотя пульт полностью не раскрывает технических возможностей асинхронной установки, существенно облегчает контроль производственного процесса. При помощи ДУ можно производить запуск-остановку, менять направление и частоту вращения вала электродвигателя, устранять ошибки, устанавливать рабочие параметры.

Что касается аналоговых входов, то их у ПЧ бывает один или два. Через первый осуществляется контроль напряжения с сопротивлением до 50 кОм, через второй — с высоким сопротивлением до 500 Ом.

Наиболее широкими возможностями обладает дискретный режим подключения, который также предусматривается производителем оборудования. Количество таких входов зависит от модели, колеблется в пределах от 6 до 8. Каждый разъём программируется под решение конкретной задачи. Чем больше разъёмов, тем выше цена преобразователя частоты. Активация нужного выхода происходит при замыкании на клемму СОМ. Схема представлена ниже.

Преимущества использования преобразователей частоты

В списке популярного электрооборудования, которое применяется в хозяйственных и производственных отраслях, частотным преобразователям принадлежит одна из лидирующих позиций. Приборы устанавливают везде, где возникает необходимость в стабилизации напряжения, перевода сетевого на трёхфазное. Благодаря встроенному микропроцессорному ПИД-регулятору частотники получают весомые преимущества перед другими способами управления двигателем, в числе которых:

• Точная настройка скоростного режима. Плавная корректировка скорости вращения электромотора предоставляет возможность отказаться от вариаторов, дросселирующей аппаратуры и редукторов. Такой отказ упрощает регулирование работы электромеханической системы, снижает затраты на техобслуживание.
• Повышение эффективности управления технологическими процессами. Мгновенное реагирования на сигналы датчиков не допускает нарушения производственных технологий, позволяет повысить производительность труда и снизить себестоимость готовых продуктов.
• Сглаживание бросков пусковых токов. При запуске разгон двигателя происходит плавно, агрегат не страдает от повышенной нагрузки и сильных просадок напряжения на питающих шинах, что увеличивает период эксплуатации.
• Пригодность ПЧ с асинхронным двигателем для замены электропривода постоянного тока.
• Обладание уникальными функциями такими, как постоянный контроль тока, напряжения и температуры силового агрегата, самодиагностика и самонастройка на применяемый электродвигатель.
• Энергоэффективность. Применение приборов в вентиляторах и насосных установках для уменьшения рабочей скорости вращения снижает энергопотребление мотора больше, чем вдвое.   

Правила установки, подключения и настройки

Грамотный монтаж преобразователя частоты для трёхфазного электродвигателя предполагает соблюдения требований, которые рекомендуют изготовители. Прибор устанавливают в местах:

• с хорошей вентиляцией;
• недоступных для прямого попадания солнечных лучей, капель масла, воды и мелкой металлической стружки;
• удалённых от легковоспламеняющихся и взрывоопасных веществ;
• с допустимой влажностью не выше 80%.

Для беспрепятственного доступа свежего воздуха оборудование монтируют на расстоянии 10 см от стен и окружающих предметов. Для установки выбирают твёрдую горизонтальную поверхность. Прибор не должен находиться в зоне влияния электромагнитных полей.

Порядок подключения

• Монтаж частотника начинают с заземления. В качестве заземляющих проводников выбирают кабели, которые по сечению соответствует проводам сети электропитания. Каждый кабель заземляют отдельно.
• Создание защиты кабелей блока управления от воздействия электрических и магнитных помех. Самый надёжный способ защиты — применение экранированных проводных изделий. Такие кабели не боятся резких перепадов температуры, служат не менее 25 лет, выдерживают экстремальные скачки напряжения.
• Проверка правильности подключения входных и выходных проводов к клеммам. Для входных — это L 1, L 2, L3, для силовых выходных — U, V, W.
• Подсоединение ПЧ к клемме РЕ производится проводником заземления.

Подключение выхода: ошибки и последствия

Собираясь подключать выход самостоятельно, необходимо прочитать инструкцию и только потом браться за дело. Поскольку конструктивное исполнение клемм входа-выхода похожее, ошибки подключения зачастую связывают именно с ними. Особенно опасно подсоединение фазосдвигающего конденсатора к выходным цепям. Такая оплошность может обернуться сбоями в работе и поломкой частотника. Также, чтобы не вызывать повреждения прибора, нельзя подключать шины силового электропитания к выходным клеммам U, V, W.

Во избежание ошибок перед подключением электромотора, сначала нужно произвести измерение сопротивления изоляции обмоток и сделать снимки ПЧ до начала демонтажа. Фото и схемы пригодятся для сверки правильности действий при выполнении монтажных работ.

Зачем нужна настройка ЧП

Настройка — это завершающий этап монтажа преобразователя частоты, без выполнения которого невозможен ввод оборудования в эксплуатацию. Регулировочные манипуляции и настраивание проводятся после того, как сделаны необходимые подсоединения, включают:

• настройку рабочих параметров двигателя для оперативной адаптации частотника к мотору;
• ввод в программу данных для запуска и остановки электродвигателя;
• внесение ограничительных и защитных установок;
• программирование и настройку дополнительных функций.

Грамотная подготовка частотного преобразователя к работе — гарантия бесперебойного функционирования электродвигателя и беспроблемного внедрения производственный процесс.