Що таке частотний перетворювач, як він працює і для чого потрібен

Так як електропривод є одним з основних способів механізації виробництв і побутових завдань, в ряді випадків виникає необхідність регулювання обертів електродвигунів. Залежно від їх виду і принципу роботи використовуються різні технічні рішення. Одним з них є частотний перетворювач. Що це таке і де застосовується Частотники, ми розповімо в цій статті.

Визначення

За визначенням частотний перетворювач - це електронний силовий перетворювач для зміни частоти змінного струму. Але в залежності від виконання змінюється і рівень напруги, і число фаз. Може бути вам не зовсім зрозуміло, для чого потрібен такий прилад, але ми постараємося розповісти про нього простими словами.

Частота обертання валу синхронних і асинхронних двигунів (АД) залежить від частоти обертання магнітного потоку статора і визначається за формулою:

n = (60 * F / p) * (1-S),

де n - число обертів вала АД, p - число пар полюсів, s - ковзання, f - частота змінного струму (для України - 50 Гц).

Простою мовою, частота обертання ротора залежить від частоти і числа пар полюсів. Число пар полюсів визначається конструкцією котушок статора, а частота струму в мережі постійна. Тому, щоб регулювати обороти ми можемо регулювати тільки частоту за допомогою перетворювачів.

Пристрій

З урахуванням сказаного вище сформулюємо заново відповідь на питання, що це таке:

Частотний перетворювач - це електронний пристрій для зміни частоти змінного струму, отже, і числа оборотів ротора асинхронної (і синхронної) електричної машини.

Умовне графічне позначення згідно ГОСТ 2.737-68 ви можете бачити нижче:

Електронним він називається тому, що в основі лежить схема на напівпровідникових ключах. Залежно від функціональних особливостей і типу управління будуть видозмінюватися і принципова електрична схема, і алгоритм роботи.

На схемі нижче ви бачите як влаштований частотний перетворювач:

Принцип дії перетворювача частоти лежить в наступному:

  • Напруга подається на випрямляч 1 і стає випрямленою пульсуючим.
  • У блоці 2 згладжуються пульсації і частково компенсується реактивна складова.
  • Блок 3 - це група силових ключів, керованих системою управління (4) методом широко-імпульсної модуляції (ШІМ). Така конструкція дозволяє отримати на виході дворівневе ШІМ-регульоване напруга, яке після згладжування наближається до синусоидальному увазі. У дорогих моделях знайшла застосування трирівнева схема, де використовується більше ключів. Вона дозволяє домогтися більш близької до синусоїдальної форми сигналу. Як напівпровідникових ключів можуть використовуватися тиристори, польові або IGBT-транзистори. Останнім часом найбільш затребувані і популярні останні два типу через ефективності, малих втрат і зручності управління.
  • За допомогою ШІМ формується потрібний рівень напруги, простими словами - так модулюють синусоїду, по черзі включаючи пари ключів, формуючи лінійна напруга.

Так ми коротко розповіли, як працює і з чого складається частотний перетворювач для електродвигуна. Він використовується в якості вторинного джерела електроживлення і не просто керує формою струму мережі живлення, а перетворює його величину і частоту відповідно до заданих параметрів.

Види частотники і сфера застосування

Способи управління

Регулювання оборотів може здійснюватися різними способами, як за способом установки необхідної частоти, так і за способом регулювання. Частотники за способом управління ділять на два типи:

  • Зі скалярним керуванням.
  • З векторним керуванням.

Пристрої першого типу регулюють частоту по заданій функції U / F, тобто разом з частотою змінюється і напруга. Приклад такої залежності напруги від частоти ви можете спостерігати нижче.

Вона може відрізнятися і програмуватися під конкретне навантаження, наприклад, на вентиляторах вона не лінійна, а нагадує гілку параболи. Такий принцип роботи підтримує магнітний потік в зазорі між ротором і статором майже постійним.

Особливістю скалярного управління є його поширеність і відносна простота реалізації. Використовується найчастіше для насосів, вентиляторів і компресорів. Такі частотники часто використовують, якщо потрібно підтримувати стабільний тиск (або інший параметр), це можуть бути глибинні насоси для свердловин, якщо розглядати побутове застосування.

На виробництві ж сфера застосування широка, наприклад, регулювання тиску в тих же трубопроводах і продуктивності автоматичних систем вентиляції. Діапазон регулювання зазвичай складає 1:10, простою мовою максимальна швидкість від мінімальної може відрізнятися в 10 разів. Через особливості реалізації алгоритмів і схемотехніки такі пристрої зазвичай дешевше, що і є основною перевагою.

недоліки:

  • Не занадто точна підтримка оборотів.
  • Повільніше реакція на зміну режиму.

Найчастіше немає можливості контролювати момент на валу.
З ростом швидкості понад номінальну падає момент на валу двигуна (тобто коли піднімаємо частоту вище номінальних 50 Гц).
Останнє пов'язано з тим, що напруга на виході залежить від частоти, при номінальній частоті напруга дорівнює мережевого, а вище Частотники піднімати «не вміє», на графіку ви могли бачити рівну частину епюри після 50 Гц. Слід зазначити і залежність моменту від частоти, вона падає за законом 1 / f, на графіку нижче зображена червоним, а залежність потужності від частоти синім.

Перетворювачі частоти з векторним керуванням мають інший принцип роботи, тут не просто напруга відповідає кривої U / f. Характеристики вихідної напруги змінюються відповідно до сигналів від датчиків, так щоб на валу підтримувався певний момент. Але навіщо потрібен такий спосіб управління? Більш точна і швидке регулювання - відмінні риси частотного перетворювача з векторним керуванням. Це важливо в таких механізмах, де принцип дії пов'язаний з різкою зміною навантаження і моменту на виконавчому органі.

Таке навантаження характерна для токарних та інших видів верстатів, в тому числі ЧПУ. Точність регулювання до 1,5%, діапазон регулювання - 1: 100, для більшої точності з датчиками швидкості та ін. - 0,2% і 1: 10000 відповідно.

На форумах існує думка, що на сьогоднішній день різниця в ціні між векторними і скалярними частотники менше ніж була раніше (15-35% в залежності від виробника), а головною відмінністю є більшою мірою прошивка, ніж схемотехніка. Також відзначимо, що більшість векторних моделей підтримують і скалярний управління.

переваги:

  • більша стабільність роботи і точність;
  • швидше реакція на зміни навантаження і високий момент на низькій швидкості;
  • більш широкий діапазон регулювання.

Головний недолік - коштує дорожче, ніж скалярні.

В обох випадках частота може здаватися вручну або датчиками, наприклад, датчиком тиску або витратоміром (якщо мову вести про насосах), потенціометром або енкодером.

У всіх або майже у всіх перетворювачах частоти є функція плавного пуску двигуна, що дозволяє легше пускати двигуни від аварійних генераторів практично без ризику його перевантаження.

Кількість фаз

Крім способів реагування частотники відрізняються і кількістю фаз на вході і виході. Так розрізняють частотні перетворювачі з однофазним і трифазним входом.

При цьому більшість трифазних моделей можуть харчуватися від однієї фази, але при такому застосуванні їх потужність зменшується до 30-50%. Це пов'язано з допустимого струмового навантаженням на діоди та інші силові елементи схеми. Однофазні ж моделі випускаються в діапазоні потужностей до 3 кВт.

Важливо! Врахуйте, що при однофазному підключенні з напругою на вхід 220В, буде вихід 3 фази по 220, а не по 380. Тобто лінійне на виході буде саме 220В, якщо говорити коротко. У зв'язку з чим поширені двигуни з обмотками, розрахованими на напруги 380 / 220В потрібно з'єднувати в трикутник, а ті що на 127 / 220В - в зірку.

В мережі ви можете знайти багато пропозицій типу «частотний перетворювач 220 на 380» - це в більшості випадків маркетинг, продавці будь три фази називають «380В».

Щоб отримати справжні 380В з однієї фази потрібно або використовувати однофазний трансформатор 220/380 (якщо вхід перетворювача частоти розрахований на таку напругу), або використовувати спеціалізований частотний перетворювач з однофазним входом і 380В трифазним виходом.

Частотники - це універсальні пристрої, призначення яких не тільки регулювання обертів, але й захист електродвигуна від неправильних режимів роботи і електроживлення, а також від перевантаження. Крім основної функції в пристроях реалізується плавний пуск приводів, що знижує знос устаткування і навантаження на електромережу. Принцип роботи і глибина налаштування параметрів більшості частотних перетворювачів дозволяє економити електроенергію при управлінні насосами (раніше управління здійснювалося не за рахунок продуктивності насоса, а за допомогою засувок) та іншим обладнанням.

На цьому ми і закінчуємо розгляд питання. Сподіваємося, після прочитання стаття вам стало зрозуміло, що таке частотний перетворювач і для чого він потрібен. Наостанок рекомендуємо переглянути корисно відео по темі:

Напевно ви не знаєте:

 

Додати коментар


Захисний код
Оновити