Частотный преобразователь — электронное устройство для изменения частоты электрического тока (напряжения). Частотный преобразователь, или по международной терминологии – инвертер, представляет собой электронное статическое устройство, предназначенное для управления асинхронного или синхронного электродвигателя переменного тока. На выходе преобразователя формируется электрическое напряжение с переменной амплитудой и частотой. Само название «частотный преобразователь» обусловлено тем, что регулирование скорости вращения двигателя осуществляется изменением частоты напряжения питания, подаваемого на двигатель от преобразователя. Т.о. инвертер преобразует напряжение питающей сети 220В/380В частотой 50Гц в выходное импульсное напряжение, которое формирует в обмотках двигателя синусоидальный ток частотой от 0 до 400 Гц и выше. Назначение Частотный преобразователь служит для плавного регулирования скорости асинхронного электродвигателя или синхронного двигателя за счет создания на выходе преобразователя электрического напряжения заданной частоты. В простейших случаях регулирование частоты и напряжения происходит в соответствии с заданной характеристикой V/f, в наиболее совершенных преобразователях реализовано так называемое векторное управление. Частотный преобразователь - это устройство, состоящее из выпрямителя (моста постоянного тока), преобразующего переменный ток промышленной частоты в постоянный, и инвертора (преобразователя) (иногда с ШИМ), преобразующего постоянный ток в переменный требуемых частоты и амплитуды. Выходные тиристоры (GTO) или транзисторы (IGBT) обеспечивают необходимый ток для питания электродвигателя. Для улучшения формы выходного напряжения между преобразователем и двигателем иногда ставят дроссель, а для уменьшения электромагнитных помех — EMC-фильтр. Устройство и принцип действия Преобразователь частоты состоит из электрического привода и управляющей части. Электрический привод частотного преобразователя состоит из схем, в состав которых входит тиристор или транзистор, которые работают в режиме электронных ключей. В основе управляющей части находится микропроцессор, который обеспечивает управление силовыми электронными ключами, а также решение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика, защита). В зависимости от структуры и принципа работы электрического привода выделяют два класса преобразователей частоты: 1. С непосредственной связью. 2. С явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока. Каждый из существующих классов преобразователей имеет свои достоинства и недостатки, которые определяют область рационального применения каждого из них. В преобразователях с непосредственной связью электрический привод представляет собой управляемый выпрямитель. Система управления поочередно отпирает группы тиристоров и подключает статорные обмотки двигателя к питающей сети. Таким образом, выходное напряжение преобразователя формируется из «вырезанных» участков синусоид входного напряжения. Частота выходного напряжения не может быть равна или выше частоты питающей сети. Она находится в диапазоне от 0 до 30 Гц. Как следствие - малый диапазон управления частотой вращения двигателя (не более 1 : 10). Это ограничение не позволяет применять такие преобразователи в современных частотно регулируемых приводах с широким диапазоном регулирования технологических параметров. Использование незапираемых тиристоров требует относительно сложных систем управления, которые увеличивают стоимость преобразователя. «Резаная» синусоида на выходе преобразователя с непосредственной связью является источником высших гармоник, которые вызывают дополнительные потери в электрическом двигателе, перегрев электрической машины, снижение момента, очень сильные помехи в питающей сети. Применение компенсирующих устройств приводит к повышению стоимости, массы, габаритов, понижению КПД системы в целом. Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых приводах находят преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока. В преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе, фильтруется фильтром, сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению КПД и к некоторому ухудшению массо-габаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью. Для формирования синусоидального переменного напряжения используют автономный инвертор, который формирует электрическое напряжение заданной формы на обмотках электродвигателя (как правило, методом широтно-импульсной модуляции). В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные модификации GCT, IGCT, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT. Главным достоинством тиристорных преобразователей частоты, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия. Они имеют более высокий КПД (до 98 %) по отношению к преобразователям на IGBT транзисторах. Преобразователи частоты являются нелинейной нагрузкой, создающей токи высших гармоник в питающей сети, что приводит к ухудшению качества электроэнергии.
С переходом на рыночную экономику вопросы энерго и ресурсосбережения во всех сферах промышленности и коммунального хозяйства России приобрели особую важность. В наше время практически всю механическую энергию для работы машин и механизмов получают за счет электрической энергии, используя для этого электроприводы. Именно они потребляют более 65% всей вырабатываемой в стране электроэнергии. Рост тарифов вынуждает искать пути сокращения расходов на электроэнергию. Ведь уже сейчас стоимость электричества, потребляемого ежегодно одним средним электродвигателем, почти в 5 раз превосходит его собственную стоимость. Устранение нерационального расхода средств всё чаще решается сегодня с помощью высоких технологий. Одно из главных направлений здесь занимает внедрение в различные отрасли промышленности и коммунальное хозяйство регулируемых электроприводов на основе частотного преобразователя или инвертера. Что представляет собой частотно-регулируемый электропривод Частотно-регулируемый электропривод, в общих чертах состоит из трехфазного электродвигателя переменного тока и инвертера, который обеспечивает, как минимум, плавный пуск электродвигателя, его остановку, изменение скорости и направления вращения. Возможность подобного регулирования улучшает динамику работы электродвигателя и, тем самым, повышает надежность и долговечность работы технологического оборудования. Более того, инвертер позволяет внедрить автоматизацию практически любого технологического процесса. При этом создается система с обратной связью, где инвертер автоматически изменяет скорость вращения электродвигателя таким образом, чтобы поддерживать на заданном уровне различные параметры системы, например, давление, расход, температура, уровень жидкости и т.п. За счет оптимального управления электродвигателем в зависимости от нагрузки, потребление электроэнергии в насосных, вентиляторных, компрессорных и др. агрегатах снижается на 40-50%, а пусковые токи, составляющие 600-700% от номинального тока и являющиеся бичом для пуско-регулирующей аппаратуры, исчезают совсем. Таким образом, применение регулируемых электроприводов на основе частотных преобразователей позволяет создать новую технологию энергосбережения, в которой не только экономится электрическая энергия, но и увеличивается срок службы электродвигателей и технологического оборудования в целом. Два способа регулирования скорости вращения двигателя с помощью инвертера Увеличивая частоту и амплитуду напряжения подаваемого с инвертера на обмотки асинхронного электродвигателя можно обеспечить плавное регулирование скорости вращения вала электродвигателя. Изменение частоты питающего двигатель напряжения приводит к отклонению от расчетных значений максимального и пускового моментов двигателя, к.п.д., коэффициента мощности. Поэтому для поддержания требуемых рабочих характеристик двигателя необходимо с изменением частоты одновременно соответственно изменять и амплитуду напряжения. Такой, достаточно простой способ регулирования скорости называют скалярным. В существующих преобразователях при скалярном управлении чаще всего поддерживается постоянным отношение максимального момента двигателя к моменту сопротивления на валу. Т.е. при изменении частоты амплитуда напряжения изменяется т.о., что отношение максимального момента двигателя к текущему моменту нагрузки остается неизменным. Это отношение называется перегрузочной способностью двигателя. При постоянстве перегрузочной способности номинальные коэффициенты мощности и к.п.д. двигателя на всем диапазоне регулирования частоты вращения практически не меняются. Скалярный метод управления целесообразно реализовывать при невысоких требованиях к диапазону регулирования частоты вращения двигателя и стабильности поддержания заданных параметров. Важным достоинством скалярного метода является возможность одновременного управления группой электродвигателей. Скалярное управление достаточно для большинства практических случаев применения частотно регулируемого электропривода с диапазоном регулирования частоты вращения до 1:40. Для быстродействующих приводов может потребоваться векторное управление. Оно позволяет существенно увеличить диапазон управления и точность регулирования, однако существенно дороже скалярного. Векторное управление обеспечивает непосредственное управление вращающим моментом двигателя. Вращающий момент определяется током статора, который создает возбуждающее магнитное поле. При непосредственном управлении моментом необходимо изменять кроме амплитуды и фазу статорного тока, т.е. вектор тока. Этим и обусловлен термин «векторное управление». Оно обеспечивает диапазон регулирования до 1:1000 и выше, точность регулирования по скорости – сотые доли процента, точность по моменту – единицы процента. Доля таких приводов постепенно растёт и на сегодняшний день составляет около 5% от общего числа. Частотные преобразователи обеспечивают: - плавный пуск без пусковых токов и ударов и остановку электродвигателя, а также изменение направления его вращения; - полная электрозащита двигателя от перегрузок по току, перегрева, обрыва фаз и утечек на землю; - плавное регулирование скорости вращения электродвигателя практически от нуля до номинального значения в ранее нерегулируемых технологических процессах; - создание замкнутых систем с возможностью точного поддержания заданных технологических параметров; - синхронное управление несколькими электродвигателями от одного преобразователя частоты; - уменьшение потребления электроэнергии за счет оптимального управления электродвигателем в зависимости от нагрузки; - увеличение срока службы электропривода и оборудования; - повышение надежности и долговечности работы оборудования, упрощение его технического обслуживания. Способы управления частотным преобразователем Управление преобразователем частоты можно осуществлять со встроенной или выносной панели управления, либо с помощью внешних сигналов. Во втором случае скорость вращения задается аналоговым сигналом 0-10 В или 4-20 мA, а команды пуска, останова и изменения режимов вращения подаются дискретными сигналами. Правило подбора частотного преобразователя Как правило, мощность частотного преобразователя подбирается равной мощности электродвигателя. Это правило распространяется на электродвигатели с номинальным количеством оборотов 1500 и 3000 оборотов в минуту. При использовании других электродвигателей или в некоторых особых случаях применения выбор частотного преобразователя (инвертера) должен соответствовать следующему условию: номинальный выходной ток частотного преобразователя должен быть не меньше, а лучше - чуть больше, номинального тока электродвигателя.
Предлагаем Вашему вниманию типовые решения по применению частотных преобразователей Omron. Энергосберегающие электроприводы и средства автоматизации ОМРОН могут быть внедрены на большинстве промышленных предприятий и в сфере ЖКХ. 1. В жилищно-коммунальном хозяйстве Опыт внедрения частотно-регулируемых электроприводов на насосных станциях показывает их весомые преимущества, в сравнении с нерегулируемым электроприводом насоса. Вот, далеко не полный перечень преимуществ регулируемого электропривода в насосных системах: Снижение энергопотребления до 60% Снижение расхода воды на 25% Устранение гидроударов, разрушающих систему водоснабжения Срок окупаемости нового оборудования 5-6 месяцев. 2. Применение преобразователей частоты и программируемых контроллеров OMRON в металлургии Применение средств автоматизации OMRON позволяет значительно увеличить точность выполнения технологического процесса. При этом: Снижается время плавки и расход электродов (в дуговых сталеплавильных печах) Снижается расход электроэнергии Повышается средний коэффициент мощности Повышается качество металла. 3. Модернизация подъемно-транспортных механизмов Применение частотно-регулируемых приводов в подъемно-транспортных механизмах позволяет: Повысить энергетические характеристики электроприводов по сравнению с параметрическими преобразователями и реостатным регулированием Существенно повысить скорость и качество регулирования скорости Добиться плавности пуска и торможения Повысить комфортность управления и сохранность груза Избежать резких толчков, что позволит значительно продлить срок службы всех механических элементов крана. 4. В лифтовых применениях В лифтовых применениях переход к частотно-регулируемому электроприводу позволяет значительно (на 50-60%) снизить расход электроэнергии, увеличить надежность работы схемы благодаря ограничению ударных моментов в переходных режимах, обеспечить эргономические требования по ограничению рывков и ускорений, применять более дешевые односкоростные асинхронные двигатели. 5. Применение электропривода для решения задач поддержания уровня в резервуарах В системах поддержания заданного уровня жидкости в резервуаре при использовании нерегулируемого электропривода задача обычно решается при работе двигателя в так называемом "старт-стопном режиме", когда происходит периодическое включение (отключение) двигателя при достижении минимальных (максимальных) значений уровня жидкости. Использование частотно-регулируемых асинхронных электроприводов позволяет поддержать практически постоянный уровень жидкости независимо от ее расхода (притока), исключить удары в системе, связанные с частыми пусками двигателя, и снизить расход электроэнергии. 6. Оптимизация энергопотребления в частотно-регулируемом приводе Частотно-регулируемый электропривод OMRON имеет встроенные функции оптимизации энергопотребления. Суть заключается в более гибком управлении напряжением двигателя при изменении нагрузки, что позволяет в некоторых режимах дополнительно сэкономить до 30% потребляемой электроэнергии за счет снижения потерь в двигателе. Режим энергосбережения особенно актуален для механизмов, которые часть времени работают с пониженной нагрузкой. Примером могут служить конвейеры, насосы, вентиляторы и т.п. Учитывая тот факт, что во многих случаях асинхронные двигатели выбираются с существенным запасом по мощности и, следовательно, часто работают с неполной нагрузкой, можно ожидать высокой эффективности широкого использования энергосберегающих преобразователей частоты. Энергосберегающие электроприводы и средства автоматизации ОМРОН могут быть внедрены на большинстве промышленных предприятий и в сфере ЖКХ: • объектах коммунального хозяйства, находящихся в муниципальной собственности: насосных станциях холодного и горячего водоснабжения, канализационных станциях, очистных сооружениях, вентиляционных установках, лифтах; • на предприятиях, где производство связано с большими расходами воды, воздуха, пара: в приводах насосов, нагнетателей, дымососов, вентиляторов, воздуходувок; • на предприятиях, где нерациональный расход электроэнергии связан с наличием морально и физически устаревшего оборудования, а также с отсутствием современных быстродействующих систем управления электроприводами и устройств автоматического контроля и управления • на предприятиях, эксплуатирующих подъемно-транспортные механизмы; • в установках, которые значительную часть времени работают с пониженной нагрузкой