Выпрямитель
Данный компонент предназначен для формирования пульсирующего напряжения в одно- или трехфазных сетях переменного тока. Выпрямители обычно строятся либо на диодах, либо на тиристорах. В первом случае они считаются неуправляемыми, а во втором управляемыми.
- Неуправляемые выпрямители. В их конструкции используется две группы диодов, которые подсоединены к различным клеммам и проводят различные напряжения – положительное и отрицательное. В конечном счете выходное напряжение равняется разности напряжений на этих группах диодов и в математическом выражении имеет следующее значение: 1,35*входное напряжение сети.
- Управляемые выпрямители. В конструкции таких выпрямителей вместо диодов используются тиристоры. На них может подаваться входящий сигнал a, который стимулирует задержку тока, выражаемую в градусах. В случаях, когда значение данного параметра колеблется в пределах 0-90 градусов, тиристоры играют роль выпрямителей, а когда в 90-300 градусов – инвертора. Выходное значение постоянного напряжения составляет: 1,35* входное напряжение сети*cos α.
Основные характеристики, необходимые для программирования
Каждой характеристике присвоен свой буквенно-цифровой код, который зависит от производителя и конкретной модели частотника. Для программирования необходимо рассчитать и ввести следующие основные параметры:
- Режим эксплуатации электродвигателя (усредненное число включений, отключений, реверсов электрической машины в заданный промежуток времени).
- Требуемое время разгона и динамического торможения электродвигателя.
- Наибольшую рабочую частоту электрической машины.
- Максимальное значение тока в % от номинального.
- Условия пуска двигателя при подаче напряжения в сети.
- Алгоритм автоматического регулирования, который положен в основу функционирования САР.
- Режим сброса ошибок, вызывающих остановку электродвигателя.
В процессе программирования также задается назначение аналоговых и дискретных выходов и выходов преобразователей частоты. Входы ЧП бывают 2-х типов:
- Дискретные входы. Служат для подключения реле, кнопочных станций и других двухпозиционных устройств. При задании их конфигурации можно присвоить каждой кнопке определенное значение частоты ЧП.
- Аналоговые входы с уровнем сигнала 0-10В и 4-20 мА. Первые используют для подключения потенциометров, предназначенных для бесступенчатой регулировки частоты. Рекомендуемое их сопротивление составляет 1 кОМ или более. Токовые входы предназначены для датчиков скорости, положения вала, технологических параметров. По ним осуществляется управление электроприводом по событиям.
Перечень вводимых параметров зависит от модели и назначения преобразователя частоты, алгоритма регулирования, особенностей промышленного оборудования. При программировании следует учесть, что некоторые характеристики невозможно изменять при работающем электроприводе.
Дополнительные функции и параметры
Современный частотный преобразователь для электродвигателя — сложное устройство. Если он выполнен на базе процессора, то функций имеет немало. Даже недорогие модели могут обладать широкой функциональностью. Для оправданного выбора стоит знать, что означает каждый из параметров и для чего нужна та или иная функция.
- Выходная частота или диапазон ее изменения. Тут все понятно. Этим параметром описываются возможности изменения частоты на выходе.
- Пределы регулирования напряжения. Вопросов тоже не возникает.
- Тип преобразования частоты. Может быть векторным и скалярным. Скалярный используется в более простых моделях. Параметры отслеживаются по соотношению напряжения и частоты. Векторный тип преобразования частоты в ЧМ подстраивает работу так, чтобы по отношению к нагрузке, момент вращения был постоянным. Такой способ управления более сложный и надежный, используется в более дорогих моделях.
- Наличие ПИД-регулятора. Удерживает давление, температуру и скорость в заданных пределах (выставляются при помощи ручки или программируются). Для связи с другими средствами управления должен иметь сигнальные выводы (аналоговые и/или цифровые).
- Юстировка скорости. Помогает при смене или скачках питания стабилизировать работу двигателя.
Перечень характеристик преобразователя частоты SV015IG5A-4
- Вид торможения. Обычно рекомендуют останавливать мотор на свободном выбеге — отключить питание и ждать пока остановится. Может применяться плавное торможение — постепенное снижение напряжения. Механическое торможение — когда скорость вращения вала тормозится за счет силы трения. Быстрее всего останавливается ротор при динамическом торможении. В этом случае на одну из фаз подается постоянное напряжение. Оно взаимодействует с ротором, останавливая его за короткий промежуток времени.
- Количество выходов с различными частотами. Такой частотный преобразователь для электромотора может обслуживать сразу несколько двигателей с различной (фиксированной) скоростью вращения.
Кроме параметров и дополнительных возможностей, на работу влияет качество сборки. Естественно, лучше брать оборудование известных производителей. Хорошо себя зарекомендовали ABB, Siemens, Mitsubishi, Omron. Но их частотники дешевыми назвать нельзя
Если нужно сэкономить и внешний вид не так важен, обратите внимание на отечественных и белорусских производителей. Внешнее оформление, как водится, желает быть лучше, а характеристики и стабильность работы неплохие
Назначение и принцип работы инвертора
Важно отметить, что скорость вращения могут регулировать и другие устройства, но все они имеют множество недостатков:
- сложность в использовании,
- высокую цену,
- низкое качество работы,
- недостаточный диапазон регулирования.
Многим известно, что использование частотных преобразователей для регулировки скорости является самым эффективным методом. Это устройство обеспечивает плавный пуск и остановку, а также осуществляет контроль всех процессов, которые происходят в двигателе. Риск возникновения аварийных ситуаций, при использовании преобразователя частоты, крайне незначителен.
Для обеспечения плавной регулировки и быстродействия разработана специальная схема частотного преобразователя. Его использование в значительной мере увеличивает время непрерывной работы трехфазного двигателя и экономит электроэнергию. Преобразователь позволяет довести КПД до 98%. Это достигается увеличением частоты коммутации. Механические регуляторы на такое не способны.
Тиристорные преобразователи частоты с звеном постоянного тока
При необходимости регулирования скорости вращения вала выше номинальной частоты, а также при высоких требованиях к отсутствию паразитных гармоник, применяются частотные преобразователи на базе инвертора тока или инвертора напряжения.
Такие ПЧ дважды преобразуют напряжение: переменное напряжение сети выпрямляется, сглаживается и преобразуется обратно в переменное другой частоты.
Различают 2 схемы двойного преобразования: инвестор тока или напряжения.
В цепь первых включен дроссель с большой индуктивностью. На выходе преобразователя частоты поддерживается постоянная амплитуда тока, независимая от нагрузки.
Преобразователи частоты такого типа могут рекуперировать электроэнергию обратно в сеть в режиме электродинамического торможения, сфера их применения – оборудование и механизмы, работающие с частыми отключениями, реверсами и стартами.
В цепь преобразователя частоты, построенного по схеме инвертора напряжения, включен индуктивно-емкостной фильтр. Величина выходного напряжения таких устройств не зависит от тока, потребляемого электродвигателем.
Главное достоинство частотников – форма напряжения «чистый синус». Такое электрооборудование обеспечивают устойчивую работу привода во всем диапазоне регулирования скоростей.
Таким образом, ПЧ двойного преобразования:
- Позволяют регулировать выходное напряжение в широком диапазоне частот: для устройств, построенных по схеме источника напряжения от 0 до 1500 Гц, для частотных преобразователей «инвертора тока» – 0-125 Гц. Частота ограничивается только быстродействием полупроводниковых элементов.
- Не ухудшают работу двигателей. Выходное напряжение преобразователей частоты имеет форму, близкую к синусоиде.
- Имеют небольшое количество тиристорных ключей по сравнению с преобразователями с непосредственной связью. Инверторные схемы не требуют синхронизации с сетью и сложной схемы управление открытием и закрытием элементов.
- Нечувствительны к коротким замыканиям на выходе. Инверторы тока обеспечивают безаварийный режим при коротких замыканиях выходной цепи, а также возможность рекуперации электроэнергии в сеть.
К недостаткам частотников на базе схемы двойного преобразования относятся: невозможность работы инвертора тока на групповую нагрузку, зависимость искусственной коммутации от cosϕ и уровня нагрузки электродвигателя, значительная стоимость конденсатора или дросселя, снижение к.п.д. при двукратном преобразовании. Инверторы напряжения без дополнительных цепей также не обеспечивают возврат электроэнергии в сеть.
Подключение частотного преобразователя к электродвигателю
Для однофазной проводки (220 В), то есть для использования в домашних условиях, подключение должно осуществляться пользователем путём выполнения схемы «треугольник»
Ток на выходе ни в коем случае не должен превышать 50% от номинального! Это очень важно!
Для промышленного использования (трёхфазная проводка на 380В) рекомендуется осуществление подключения частотного преобразователя к двигателю по схеме «звезда».
Клеммы
Частотный преобразователь имеет определённое количество клемм, которые обозначены разными буквами, и которые нужны для разных подключений:
- R, S, T — к этим клеммам подключаются провода сети, притом очерёдность не имеет значения
- U, V, W — к этим клеммам производится включение асинхронного двигателя. В том случае, если двигатель вращается в обратную сторону, необходимо просто поменять любой из проводов, подключённых к этим клеммам
- Предусмотрено наличие одной клеммы для заземления
Рекомендации по эксплуатации и обслуживанию частотного преобразователя для асинхронного двигателя.
Для того чтобы продлить срок эксплуатации преобразователя, следует выполнять ряд требований и следовать советам, которые помогут продлить жизнь устройству:
Настоятельно рекомендуется очищать внутренности преобразователя от пыли. Можно делать это и пылесосом, но тут следует учесть, что такая чистка будет неполной и недостаточной, так как пыль имеет свойство уплотняться, что создаст дополнительные трудности пылесосу, с которыми он не всегда сможет справиться. Поэтому лучше воспользоваться компрессором. Для очистки такого рода он подходит лучше.
Следует периодически заменять узлы
Очень важно делать это в срок. Работа электролитических конденсаторов рассчитана на срок в пять лет, в то время как предохранители имеют срок эксплуатации в два раза больше — целых десять лет
Вентиляторы охлаждения должны быть заменены пользователем после двух — трёх лет эксплуатации. Внутренние шлейфы так же должны меняться через определённый срок, их срок работы рассчитан на шесть лет использования.
Необходимо осуществлять контроль за внутренней температурой и напряжением на шине постоянного тока. Повышение температуры влечёт за собой очень неприятные последствия. Это и засыхание термопроводящей пасты, и разрушение конденсаторов. Термопроводящую пасту следует менять регулярно — примерно один раз в три года и ни в коем случае не реже.
Обязательно нужно придерживаться всех прописанных условий эксплуатации. Температура среды окружающей не должна быть выше 40 градусов. Высокая влажность и запылённость воздуха недопустимы.
Управление асинхронным двигателем — процесс совсем не лёгкий. Требуется обладать определёнными знаниями, чтобы успешно осуществлять все манипуляции, предполагающие как подключения, так и мероприятия по эксплуатации.
Преобразователи, которые были произведены кустарно, вполне могут быть использованы в домашних условиях и в бытовых целях. К тому же стоят такие частотники существенно меньше, чем промышленные аналоги. Но на для работы на производстве крайне не рекомендуется использовать такие преобразователи. Для таких условий следует выбирать частотники, которые были собраны на заводах. Работу на таких устройствах и их обслуживание следует доверить персоналу, который хорошо разбирается в данных устройствах и обладает достаточными знаниями для того, чтобы работать с частотниками.
Классификация преобразователей частоты
Техническое устройство, преобразующее переменное напряжения одной частоты на входе, в изменяющееся по определенному закону переменное напряжение, но уже другой частотой на выходе называется преобразователем частоты (ПЧ). Бывают двух типов:
- Непосредственные
- Двухзвенные
Непосредственные – это реверсивный тиристорный преобразователь. Главное его достоинство в том, что он подключается напрямую в сеть без дополнительных устройств.
Двухзвенные – представляют собой транзисторный или тиристорный преобразователь. Но главное их отличие от непосредственных преобразователей в том, что для корректной и безопасной работы инвертора необходимо звено постоянного напряжения. Соответственно для подключения их к общепромышленным сетям необходим выпрямитель. Как правило изготавливаются комплектными (инвертор и выпрямитель поставляются вместе и работают от одной системы управления).
Инвертор своими руками
Наряду с выпуском промышленных инверторов многие изготавливают их своими руками. Особой сложности в этом нет. Такой частотник может преобразовать одну фазу в три. Электродвигатель с подобным преобразователем можно использовать в быту, тем более что мощность его не теряется.
Выпрямительный блок идет в схеме первым. Затем идут фильтрующие элементы, отсекающие переменную составляющую тока. Как правило, для изготовления таких инверторов используют IGBT-транзисторы. Цена всех составляющих частотника, изготовленного своими руками, намного меньше цены готового производственного изделия.
Частотники подобного типа пригодны для электродвигателей мощностью от 0,1 кВт до 0,75 кВт
https://youtube.com/watch?v=w3vmbn3YLYo
Выбор частотника
Производители таких приборов делают упор на стоимость частотных преобразователей. Из этого следует, что многие опции, которые имеются у более дорогих моделей, на дешёвых моделях преобразователей уже не будут присутствовать
Перед выбором нужного прибора следует обратить внимание на технические характеристики всех имеющихся моделей, представленных в ассортименте, а также на основные требования для конкретного использования
Управления может осуществляться двумя способами: векторным и скалярным. Векторное управление предоставляет возможность точной регулировки. Принцип работы скалярного управления заключается в поддержании одного соотношения между напряжением и частотой на выходе, заданного пользователем. Скалярное управление не подходит для сложных устройств и используется на более простых устройствах вроде вентилятора.
Чем выше указанная в характеристиках мощность, тем выше универсальность преобразователя. Это означает, что это обеспечит взаимозаменяемость
К тому же обслуживание такого устройства будет проще.
Непременно следует обратить внимание на указанный диапазон напряжения сети. Он должен быть максимально широким, что обеспечит безопасность при перепадах его норм
И нельзя не упомянуть тот факт, что повышение намного опаснее, чем понижение. При повышении могут взорваться сетевые конденсаторы.
Указанная частота обязательно должна соответствовать всем производственным потребностям. На диапазон регулирования скорости привода указывает нижний предел. При надобности в более широком следует прибегнуть к векторному управлению. Практическое применение предусматривает применение таких частот, как: от 10 до 60 Гц. Редко, но встречаются и до 100 Гц.
Осуществление управление предусматривает использование различных входов и выходов. Чем их больше, тем, конечно же, лучше. Но нужно брать вниманию, что при большем количестве входов и выходов, значительно увеличивается стоимость частотного преобразователя, а также усложняется его настройка.
Внимание также следует обратить и на шину управления подключаемого оборудования. Она должна совпадать с возможностью схемы частотника по количеству входов и выходов. Также не стоит забывать о том, что лучше иметь в наличии небольшой запах для возможной модернизации.
Не стоит забывать и о перегрузочных возможностях устройства. Рекомендуется выбирать частотный преобразователь, обладающий мощность, которая будет на 15 % больше мощности используемого двигателя. Настоятельно рекомендуется прочесть инструкции, прилагающуюся к частотнику в комплекте. Производители непременно указывают в документации к устройству все его основные параметры. В том случае, если важны пиковые нагрузки, то следует обратить при выборе устройства внимание на реальные показатели тока и величины, указанные в качестве пиковых. В этом случае нужно выбрать преобразователь с показателями пикового тока, которые будут на 10% выше, чем указанные в документации.
Другие часто востребованные настройки
Помимо основных настроек, рассмотренных выше, нередко становятся актуальными ещё несколько функций. В частности, к примеру, требуется перевести на ПЧ управление асинхронным электродвигателем из ручного режима пуска в автоматический режим пуска или обратно. Делается это применительно к модели «VLT» уже посредством обычного меню через секции 0-40, 0-41, 0-42.
Видеоролик настройки алгоритмов включения/отключения
Видеоролик ниже демонстрирует, как секция меню из трёх (0-40, 0-41, 0-42) установочных параметров может использоваться для настройки алгоритма запуска асинхронного электродвигателя с поддержкой нескольких (разных) режимов управления пуском и остановкой мотора:
https://youtube.com/watch?v=eGG0eZUwksk
Следует отметить, что установкой определённого параметра в секциях допустимо заблокировать функцию кнопки отключения/сброса (Off Reset) на устройстве.
То есть отключить асинхронный электродвигатель, питаемый напряжением через ПЧ, можно только сигналом внешнего управления. Аналогично можно настроить пусковой режим.
Видеоролик настройки ПЧ VLT быстрым меню
https://youtube.com/watch?v=brCYaTLRYF8
Видео показывает последовательность манипуляций пользователя кнопками панели управления в момент настройки оптимальной связи электромотора с преобразователем частоты. Рассматривается работа пользователя в режиме быстрого меню (Quick Menu):
https://youtube.com/watch?v=-IKzpbJ3ZDg
https://youtube.com/watch?v=Pw6tNk8fNMM
https://youtube.com/watch?v=f23vocCccLc
Комплектация регулируемого привода
Частотный преобразователь формируется из трёх компонентов:
- Управляемый, либо неуправляемый выпрямитель, отвечающий за формирование напряжения ПТ (постоянного тока), поступающего от питания.
- Фильтр (в виде конденсатора), осуществляющий дополнительное сглаживание напряжения.
- Инвертор, моделирующий напряжение нужной частоты.
Самостоятельное подключение преобразователя
Перед тем, как приступать к подключению устройства следует воспользоваться обесточивающим автоматом, он обеспечит отключение всей системы в случае короткого замыкания на любой из фаз.
Существует две схемы соединения электродвигателя с частотным преобразователем:
- «Треугольник».
Схема актуальна, если требуется управлять однофазным приводом. Уровень мощности преобразователя в схеме при этом составляет до трёх киловатт, а мощность не теряется.
- «Звезда».
Способ, подходящий для подключения клемм трёхфазных частотников, питаемых промышленными трёхфазными сетями.
На рисунке схема подключения частотника 8400 Vector
Для ограничения пускового тока и снижения пускового момента при запуске электрического двигателя по мощности превосходящего 5 кВт, применяется переключение «звезда-треугольник».
Когда на статор пускается напряжение, то фигурирует подключение устройства по типу «звезда». Как только значение скорости двигателя начинает соответствовать номинальному, поступление питания осуществляется по схеме «треугольник». Но этот приём используется, только когда технические возможности позволяют подключаться по двум схемам.
В объединённой схеме «звезды» и «треугольника» наблюдаются резкие скачки токов. При переходе на второй тип подключения показания по вращательной скорости значительно уменьшаются. Для восстановления прежнего режима работы и частоты оборотов следует осуществить увеличение силы тока.
Наиболее активно применяются частотники в конструкции электрического двигателя с уровнем мощности 0,4 — 7,5 кВт.
Сборка преобразователя частот своими руками
Одновременно с промышленным производством частотных преобразователей, остаётся актуальной сборка подобного устройства своими руками. Особенно этому способствует относительная простота процесса. В результате работы инвертора производится преобразование одной фазы в три.
Применение в бытовых условиях электрических двигателей, имеющих в комплектации подобное устройство, не вызывает никаких дополнительных затруднений. Поэтому можно смело браться за дело.
На рисунке структурная схема частотных преобразователей со звеном постоянного тока.
Схемы частотного преобразователя, используемые при сборке, состоят из выпрямительного блока, фильтрующих элементов (отвечающих за отсечение переменной составляющей тока и конструируемых из IGBT-транзисторов). По стоимости покупка отдельных компонентов преобразователя и выполнение сборки своими руками обходится дешевле, чем приобретение готового устройства.
Применять самосборные частотные преобразователи можно в электродвигателях имеющих мощность 0,1 — 0,75 кВт.
В то же время, современные заводские частотники имеют расширенную функциональность, усовершенствованные алгоритмы и улучшенный контроль безопасности рабочего процесса ввиду того, что при их производстве используются микроконтроллеры.
Сферы применения преобразователей:
- Машиностроение;
- Текстильная промышленность;
- Топливно-энергетические комплексы;
- Скважинные и канализационные насосы;
- Автоматизация управления технологическим процессом.
Стоимость электродвигателей находится в прямой зависимости от того, есть ли в его комплектации преобразователей.
Классификация частотников
По величине и типу электропитания различают инверторы нескольких видов:
- однофазные;
- трёхфазные;
- высоковольтные агрегаты.
Полупроводниковые частотные преобразователи производят преобразование тока или напряжения промышленной сети. Выходные параметры необходимого сигнала свободно регулируются элементами управления.
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.
