Частотный преобразователь

Частотный преобразователь используется для плавного регулирования скорости вращения асинхронного или синхронного двигателя. ЧП управляет либо выходным напряжением (зависимость U/f, скалярное управление), либо управляет моментом на валу двигателя (так называемое фазное или векторное управление). Частотные преобразователи выпускаются в диапазоне 0.09 кВт – 800 МВт.

Любой частотный преобразователь состоит из силовой части и микропроцессорного модуля.

Силовая часть включает в себя:

1. Мост постоянного тока – устройство для преобразования переменного тока в постоянный.
2. Инвертор (иногда реализует ШИМ) – устройство для преобразования постоянного тока моста в переменный ток необходимой частоты и амплитуды.
3. Выходные силовые ключи – тиристоры GTO (GCT, IGCT, SGCT) или транзисторы IGBT. Последние сочетают в себе свойства полевых и биполярных транзисторов.
4. Фильтры — дроссели, которые обладают высоким сопротивлением переменному току и улучшают форму выходного напряжения частотного преобразователя и ЕМС-фильтры, применяющиеся для увеличения помехозащищенности токовых цепей.

Микропроцессорный модуль отвечает, в первую очередь, за управление выходными силовыми ключами, а также за ряд других задач (контроль, ПИД-регулирование, самодиагностика, защита, обмен по интерфейсу, выполнение логических операций и т.д.)

Плавное регулирование скорости асинхронного двигателя – одна из самых распространенных задач в системах управлениях.

Применение частотных преобразователей обусловлено следующими задачами:

1. Автоматизация прокатных станов
2. Автоматизация резательных и конвейерных систем
3. Управление системами ЧПУ
4. Регулирование производительности дымососов
5. Регулирования давления в баке
6. Регулирования расхода воздуха в системах ОВК
7. Управление различными компрессорами, мешалками и т.д.

Можно выделить следующие преимущества регулирования частотным преобразователем:

1. В первую очередь – экономичность — в том случае, если двигатель, управляемый ЧП, используется в регулирующих режимах, на мощностях, меньших от максимальной.
2. Достаточно высокая точность регулирования (особенно для векторного принципа).
3. Повышения ресурса мотора – за счет контроля пусковых токов, момента на валу, тепловой защиты, обрыва фазы и т.д.
4. Уменьшение гидравлического сопротивления трубопровода за счет отсутствия дросселирования потока (например, случай регулирования давления в баке путем изменения производительности насоса)
5. Удаленная диагностика и управление приводом по промышленной сети
6. Автономный контур регулирования – ЧП имеют функцию встроенного ПИД-регулятора.

Недостатки регулирования частотным преобразователем:

1. Данный тип устройств – источник электромагнитных помех. На самом деле выходная частота преобразователя в 400 Гц не имеет ничего общего с гармониками высших порядков по току, которые достигают частоты в десятки килогерц.
2. Существенное увеличение стоимости с мощностью.

Для наглядного примера рассмотрим устройство компании Danfoss VLT Micro FC51. Электрическая схема частотного преобразователя приведена ниже.

Преобразователи частоты Danfoss FC51 выпускаются в диапазоне по мощности от 0.18 кВт до 22 кВт. Все имеют степень защиты IP20. Следует заметить, что они выпускаются в однофазном и трехфазном исполнении:

1. 0.18 кВт – 2.2 кВт — однофазные (1х230 V)
2. 0.37 кВт – 22 кВт – трёхфазные (3х380 V)

С этого следует целесообразность использования трёхфазных приводов только с 2.2+ кВт (то есть с 3 кВт), так как, используя маломощные трёхфазные, мы теряем в максимальном токе.

Выбор частотного преобразователя выполняется по току. Он должен превышать (для асинхронного двигателя — существенно) максимальный ток привода.

Для подключения частотного преобразователя к мотору необходимо применять экранированный кабель как можно меньшей длинны. При этом на фазу частотника вешать питание контрольного оборудования крайне не желательно. Также рекомендуется прокладывать контрольные линии как можно дальше от силовых линий частотного преобразователя.

Кроме того, следует учитывать фазность при подключении питания и двигателя.

• Корпуса одно- и трехфазных приводов ничем не отличаются, и на них всех стоит универсальная маркировка для подключения одной или трёх фаз. Если к трёхфазному устройству подключить фазу и нейтраль 230V, то он просто не включится. Если же сделать наоборот, и подключить три фазы к однофазному приводу – придется, как минимум, поменять предохранитель.
• Если трёхфазный двигатель работает в комплекте с однофазным ЧП, стоит учитывать тот факт, что выходное напряжение – 3х230V, поэтому обмотки двигателя следует обязательно подключить по схеме «треугольник».

Частотный преобразователь (по хорошему) защищается «быстроплавкими» предохранителями (малоинерционными, fast blow). Но, как показывает практика, сгореть частотник может даже с самой надежной защитой. В самых простых случаях устройства защищают автоматическими выключателями, которые подбираются по максимальному току ЧП плюс один номинал. Пример: для частотника 2.2 кВт максимальный ток составляет 18 А. Практика показывает, что автомат В20 такой частотник выбивает с лёгкостью, поэтому нужно ставить В25.

Даже самый простенький Danfoss этой серии имеет набор «интересных» функций:

1. Подхват вращающегося двигателя
2. Торможение постоянным током (для останова или прогрева)
3. Плавная компенсация толчков при ускорении/замедлении
4. Байпас скорости

Встроенная функция ПИД-регулятора позволяет по сигналу обратной связи через один из аналоговых входов выполнять поддержание регулируемого параметра.

Благодаря аналоговому выходу можно, например, реализовать каскадное управление частотными преобразователями: аналоговый выход контроллера выдает частоту на один из них, который в свою очередь передает частоту на другой и т.д.

Благодаря конфигурируемым дискретным входам можно настроить привод на управление вплоть до 18-ти скоростей.

Функции программирования и управления также можно осуществлять по RS-485 (протокол Modbus RTU).

Быстрое отключение VS фиксированное соединение
Также некоторые QD-кабели, сплиттеры и большинство распределительных коробок имеют встроенную LED-индикацию, которая может отображать состояние как питания, так и информационного сигнала