ПЧ или преобразователь частоты: что это такое?

Что такое преобразователь частоты

ПЧ – устройство для регулирования частоты напряжения переменного тока. Принцип управления приводом при помощи преобразователя основан на зависимости скорости вращения вала от частоты напряжения на обмотках. Чем она выше, тем больше скорость.

Другими словами, оборудование позволяет изменять скорость вращения и момент на валу переменного тока путем преобразования частоты напряжения на обмотках статора.

Стандартная скорость асинхронного электродвигателя составляет 500, 750, 1000, 1500, 3000 об/мин. Применение преобразователей частоты позволяет увеличить или снизить угловую частоту вращения. Интервал регулирования может составлять 1:200 и больше, выше или ниже номинальной скорости.

Устройство включается в сеть перед электродвигателем, на его обмотки поступает напряжение частотой выше или ниже сетевой.

Современный преобразователь частоты комплектуется контроллером для защиты, задания режимов пуска, разгона и торможения, ПИ- или ПИД-регулирования, реализации специальных функций управления: обнаружение обрыва приводного ремня, динамического торможения и прочих.

Таким образом, ПЧ позволяет не только регулировать скорость и момент на валу. Устройство обеспечивает различные режимы управления оборудованием, защищает от ненормальных и аварийных режимов работы.

Применение ПЧ значительно расширяет технические возможности электропривода переменного тока, позволяет использовать значительно более дешевые и простые двигатели.

Пример применения преобразователей частоты с оборудованием, которое постоянно используется в быту, – насосы водоснабжения и отопления. Устройства регулируют подачу воды в зависимости от расхода или температуры, плавно запускают и останавливают агрегаты для исключения гидравлических ударов.

Виды частотных преобразователей

• Частотный преобразователь 22 кВт
• Частотный преобразователь 3 кВт
• Частотный преобразователь 11 кВт
• Частотный преобразователь 15 кВт
• Частотный преобразователь 5 5 кВт
• Частотный преобразователь 7.5 квт
• Частотный преобразователь 1.5 кВт
• Частотный преобразователь 4 кВт
• Преобразователь частоты для асинхронного двигателя
• Частотный преобразователь 1 5 квт 220 в
• Преобразователь частоты 2 2 кВт
• Частотный преобразователь 220в
• Частотный преобразователь для вентилятора
• Частотный преобразователь для насоса
• Частотный преобразователь для асинхронного электродвигателя
• Трехфазный частотный преобразователь 380 В
• Однофазный частотный преобразователь

Частотные преобразователи с непосредственной связью (электромашинные, индукционные).

Их главным компонентом является выпрямитель на основе тиристоров, позволяющих в нужном порядке подавать питание на обмотки статора. Устройства формируют частоту ниже, чем в сети, что сужает возможности эксплуатации электротехники. Основой конструкции является транзисторный выпрямитель, при котором происходит поочерёдное открытие транзисторов. Поэтому обмотки статора поочерёдно подключаются к сети.

Недостатки частотных преобразователей с непосредственной связью следующие:

- Множество отклонений спектра напряжения от стандартного в 50 Гц. в выходящем напряжении. Из-за этого падает производительность подключенного привода, он получает дополнительные нагрузки и греется.

- Устройство позволяет только снижать интенсивность вращения подключенного электромотора, что ограничивает его функциональность.

- Практическое использование показало, что эффективность такого преобразователя достигается только мощными электроприводами.

Преимущества данных частотных преобразователей:

• Функция рекуперации - в процессе торможения часть электроэнергии может быть возвращена в сеть.
• Частота преобразуется однократно, что повышает общий КПД оборудования.
• Устройства комбинируются с другими приборами для увеличения мощности.
• Широкий низкочастотный диапазон.
• Преобразователь совместим с высоковольтными цепями с напряжением до 10 кВт.
• Работает при перегрузках по току и напряжению, выдерживает импульсные перегрузки.

Частотные преобразователи со звеном постоянного тока (электронные, полупроводниковые).

В отличие от преобразователей с непосредственной связью, алгоритм преобразования данных частотников состоит из двух этапов. Первый этап –, сглаживание и фильтрация сетевого напряжения, второй – его передача в инверторный блок, где формируется ток требуемой частоты и оптимальная амплитуда напряжения. Функцию силовых ключей в данном случае выполняют запираемые тиристоры или транзисторы IGBT. Чаще всего используется второй вариант, поскольку тиристоры отличаются сложной конструкций, при этом менее эффективны и точны.

Тиристор активируется коротким импульсом на электрод управления. Преобразователь на основе IGBT-модулей расширяет доступные диапазоны скоростей электромоторов. Устройства могут работать и на высоких, и на низких оборотах без применения датчиков.

Достоинствами данных преобразователей частоты являются:

• Выходная частота напряжения может быть и ниже, и выше сетевой. Это позволяет регулировать скорость вращения электропривода в широком диапазоне, применять преобразователи с любыми моторами.
• Преобразователь образует выходное напряжение с идеально чистой синусоидой. что является большим плюсом при использовании оборудования с множеством электронных деталей. /li>
• Преобразователи являются основой для сборки многокомпонентных систем управления для быстрого реагирования на изменение характеристик подключенного оборудования и настройки его производительности и скорости.
• Устройства используются и на основных, и на резервных линиях питания.
• Применяемые в приборах совершенные алгоритмы управления обеспечивают взаимодействие с любыми электромоторами, включая претенциозные, требующие максимально точных настроек скорости и вращающего момента.
• Быстродействующие транзисторы вместе с микропроцессорами меньше нагревают обмотку.
• Оснащаются защитой от перенапряжения.

У подобных частотников есть и недостатки:

Первый - сложность конструкции увеличивает габариты. В детали частотника входит: сглаживающий колебания фильтр, инвертор для рекуперации электрической энергии, обрабатывающий информацию процессор и другие модули.

Второй недостаток - меньший КПД по сравнению с устройствами предыдущего типа, что связано с двойным алгоритмом преобразования и сопутствующими потерями энергии.

Третий - сложность производства, как следствие - большая цена по сравнению с преобразователями с непосредственной связью.

Цели внедрения преобразователей частоты

Стабилизация технологического процесса

Автоматическое регулирование скорости вращения приводных механизмов (вентиляторов, насосов, конвейеров и др.) позволяет лучше стабилизировать технологический процесс:

• Привод быстрее и точнее отрабатывает задание и возмущения
• Кривую переходного процесса можно настроить под конкретную задачу.

Энергосбережение

При регулировании технологических параметров (расхода, давления, температуры) традиционным способом (задвижкой, клапаном, шибером) энергопотребление электродвигателя (насоса или вентилятора) изменяется незначительно. Преобразователь частоты регулирует технологические параметры, изменяя скорость вращения двигателя, при этом энергопотребление снижается существенно. Для турбомеханизмов с вентиляторной нагрузкой мощность находится в кубической зависимости от скорости вращения двигателя. Другими словами, если, например, для поддержания требуемого давления насос вращается со скоростью, равной половине номинальной, то энергии он будет потреблять на 87,5% меньше, чем в номинальном режиме.

Замена двигателей постоянного тока

Раньше приводы постоянного тока применялись достаточно широко, сейчас их с успехом заменяют приводами переменного тока, которые работают со стандартными асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором:

• Снижаются эксплуатационные расходы, которые в большей степени связаны с обслуживанием коллектора
• Улучшаются энергетические показатели
• Стандартные асинхронные двигатели дешевле и доступнее, чем двигатели постоянного тока.

Замена двигателей c фазным ротором

Регулирование скорости двигателя с фазным ротором осуществляется путём изменения реостатного сопротивления в цепи ротора. Такие электроприводы не имеют полноценного режима торможения и не предназначены для обеспечения длительного глубокого регулирования скорости, так как они обладают небольшой продолжительностью включения (порядка 10…30%) на малых скоростях и малым диапазоном регулирования скорости (обычно 1:3). При добавлении сопротивления в цепи ротора, механическая характеристика становится мягкой. КПД таких электроприводов порядка 50%. Данный способ регулирования скорости морально устарел и с успехом заменяется частотным регулированием.

Замена старых тиристорных приводов

Выходные силовые каскады современных преобразователей частоты реализованы на базе IGBT-транзисторов. Старые тиристорные приводы, как правило, ремонтируются «на коленке», специалистов по сервису и запчасти для них найти становится всё сложнее. Современные приводы существенно превосходят своих предшественников, как по экономическим, так и по массогабаритным показателям.

Замена высоковольтных двигателей на низковольтные

В СССР широко применялись двигатели на напряжение 6кВ и 10кВ. Замена старых высоковольтных двигателей на новые низковольтные двигатели с низковольтными преобразователями частоты часто экономически более оправдана, чем установка высоковольтных ПЧ:

• Низковольтные ПЧ дешевле
• Обслуживание низковольтной техники проще и дешевле
• Современные низковольтные двигатели можно подобрать тех же установочных размеров, что и старые высоковольтные двигатели.

Повышение надёжности работы и увеличение срока службы основного технологического оборудования

• При работе насосов и вентиляторов на пониженных скоростях увеличивается срок эксплуатации подшипников, замедляется износ оборудования из-за трения
• Плавные пуски и остановы насосов предотвращают прорывы труб из-за гидроударов
• Контроль токов и моментов исключает поломки агрегатов из-за механических напряжений, заклинивания и т.п.
• Преобразователи частоты при правильной эксплуатации не требуют обслуживания в отличие, например, от механических задвижек с электроприводом
• Автоматический пропуск резонансных частот исключает разрушение агрегата из-за механического резонанса
• Подхват вращающегося двигателя в обоих направлениях при восстановлении питания.

Увеличение производительности

• За счёт улучшения управляемости технологическим процессом и повышения точности регулирования
• При определённых условиях двигатель можно разогнать выше номинальной скорости
• Повышенные пусковые моменты и интенсивное торможение за счёт более эффективного рассеивания тепла в самом двигателе и на внешнем тормозном резисторе позволяют увеличить производительность автоматической линии.

Снижение простоя оборудования

Например, производительность центробежного сепаратора и крупность выделяемого им материала зависит от скорости воздушного потока, которая регулируется изменением угла наклона лопастей. Такая переналадка занимает много времени. Преобразователь частоты регулирует скорость в непрерывном режиме.

Снижение стоимости установленного оборудования

Встроенные в преобразователи частоты функции позволяют реализовать достаточно сложные задачи автоматического управления без использования дополнительного оборудования:

• Работа на разных скоростях, реверс (не нужен контактор)
• Полная защита двигателя (не нужно тепловое реле, реле контроля фаз)
• Cos ф≈1 (не нужны компенсаторы реактивной мощности двигателей)
• Защита насоса от сухого хода (без датчика сухого хода)
• Защита от обрыва ремня вентиляторов (не нужны дополнительные датчики)
• Логическая обработка входных дискретных сигналов
• Встроенные ПИД-регуляторы процесса, скорости (не нужны внешние регуляторы)
• Встроенный каскадный контроллер (для турбомеханизмов)
• Встроенные часы реального времени.

Автоматизация

• ПЧ может архивировать в своей памяти, отображать на своём дисплее и передавать для дальнейшей обработки по полевой шине все электрические параметры двигателя, информацию от датчиков, подключенных к ПЧ, рабочие и аварийные сообщения
• Снижение человеческого фактора.

Способ установки и принцип действия

По сути, частотные преобразователи являются промежуточными звеньями между электросетью и нагрузкой с электродвигателем. В зависимости от модели они могут подключаться к трехфазной или однофазной сети (некоторые изделия в своем составе имеют гальваническую развязку). Устанавливаются перед нагрузкой. Могут крепиться на корпус агрегата, устанавливаться на стене или в отдельном закрытом электрощите, например, если в месте применения повышенная влажность или запыленность.

Современные модели частотников работают на основе технологии двойного преобразования. 

Процесс работы устройств осуществляется следующим образом:

• поступающее из сети напряжение выпрямляется, при этом нивелируются гармонические искажения и незначительные скачки и просадки напряжения;
• затем сигнал вновь становится переменным, но он уже со стабильным вольтажом, чистой синусоидой и определенным значением частоты, которое требуется для электродвигателя.

Что касается входов и выходов

Сегодня большинство преобразователей частоты имеют в базовой комплектации аналоговые и цифровые входы/выходы, последовательный интерфейс и т.д. Такой набор функций позволяет интегрировать ПЧ в большинство автоматических систем, без ограничений в выборе способов управления преобразователем.

• Дискретное (цифровое) управление считается самым простым, данные входы используются для передачи основных команд: пуск или остановка электропривода, регулирование скорости, переключение между режимами работы ПЧ. Такие выходы сообщают о неисправностях, достижениях заданных пределов по частоте и току, дают команды на включение ведомых электроприводов и т.д. На один дискретный вход можно задать необходимую функцию, выбрав из более чем нескольких десятков.
• Аналоговое управление решает другие задачи. Например, обеспечивает плавное регулирование. Также данный способ управления позволяет проводить постоянный мониторинг и контролировать состояние необходимых параметров системы. Сигналы поступают на вход ПЧ с соответствующих датчиков.
• Управление по последовательному интерфейсу используется для построения сложной автоматизированной системы. Данный способ позволяет управлять сразу несколькими преобразователями частоты, причем они могут находиться далеко друг от друга. Такой способ значительно сокращает число проводов, одновременно увеличивая возможности передачи информации. Наиболее универсальным и, соответственно, популярным и надежным интерфейсом (протоколом) для подключения к ПЧ на сегодняшний день считается Modbus (RS485).

В некоторых линейках есть возможность использования стандартной витой пары UTP кат. 5e для выносного монтажа идущей в комплекте панели управления, что позволяет максимально упростить и до 10 раз удешевить монтаж панели управления по сравнению с преобразователями, использующими специальные коммутационные шлейфы.

Обязательно поинтересуйтесь, какие силовые ключи используются при сборе ПЧ — одними из самых надежных являются IGBT производства компании Infineon. Они позволяют существенно повысить надёжность и отказоустойчивость оборудования.

Система управления частотным преобразователем должна быть интуитивно понятной, функциональной, вариативной. В передовых моделях источником управляющего сигнала может быть кнопочная панель, промышленная сеть, цифровые входы и импульсный вход. Имеется возможность подключения исполнительных устройств, датчиков, программируемых логических контроллеров. Некоторые входы и выходы способны функционировать в различных режимах.

Мощность частотного преобразователя

Мощность является одним из наиболее основных параметров электропривода. При выборе частотника, в первую очередь, следует определиться с его нагрузочной способностью. В соответствии с имеющейся номинальной мощностью двигателя выбирается ЧП , рассчитанный на такую же мощность. И такой выбор будет являться правильным при условии, что нагрузка на валу не будет динамично изменяться, ток не будет значительно превышать номинальное установленное значение, как для данного двигателя, так и устройства распределения частоты. Поэтому более корректным было бы производить выбор по максимальному значению тока потребляемого электродвигателем от ЧП с учетом перегрузочной способности последнего. Обычно способность к перегрузкам указывается в процентах от номинального тока совместно с максимально допустимым временем действия данной перегрузки до активации непосредственной защиты. Таким образом, для правильного выбора нужно знать характер перегрузок именно вашего механизма, в частности: каков уровень перегрузок, какова их длительность и как часто они появляются.

Функции защиты 

Кроме функций управления на электронное устройство изменения частоты обычно возлагаются функции защиты. Как правило, основным набором являются:

• ограничение тока при пуске, при продолжительной работе, при остановке и коротком замыкании;
• защита от перенапряжения и пониженного напряжения;
• контроль температуры двигателя;
• защита от перегрева радиатора;
• защита выходных IGBT.

Работа при нестабильном питании  

Это актуальный параметр особенно при использовании в России. Отсюда вопрос: «каков допустимый диапазон питающего напряжения?». Хорошим диапазоном напряжения питающей сети для современных частотников является 380-460 В с отклонением ±10%. Следует уточнить каковы действия частотного преобразователя при просадке или полном отключении питания на короткое или очень короткое время? 

Возможно ли сохранение работоспособности с пропорциональным изменением скорости, момента двигателя, автоматический перезапуск после восстановления питания, подхват скорости работающего двигателя при повторном пуске после пропадания питания и т.д. Если имеющиеся функциональные возможности обеспечивают допустимый режим работы механизма с сохранением его работоспособного состояния, то можно считать, что вопрос о нестабильном питании для вас снят, в противном случае стоит либо решить вопрос с электроснабжением, либо задуматься о выборе другого оборудования.

Исключение работы на резонансных частотах

Некоторые механизмы имеют собственные резонансные частоты при работе на которых наблюдаются недопустимые вибрации, что может привести к поломке оборудования. В таких случаях функция исключения недопустимых частот в преобразователе позволит обезопасить механизм от его преждевременного выхода из строя.

Сетевой обмен 

Обычно требуется либо включить привод в систему автоматического управления, либо предусмотреть перспективу такого использования систем изменения частоты электрического тока в будущем. Для этого необходимо разобраться со стандартом и протоколом связи. 

В настоящее время существует большое их разнообразие, позволяющее сделать работу в режиме САУ наиболее оптимальной. Отличаться они могут удаленностью, количеством связываемых объектов и помехозащищенностью. 

Автоматическая настройка  

На сегодняшний день выбор электроприводов довольно велик, но еще встречаются простейшие модели в которых не производится настройка под параметры двигателя, а точнее его обмотки. В более поздних моделях требуется вводить ряд дополнительных справочных данных. 

Частотные преобразователи имеют возможность провести так называемый идентификационный пуск (режим автонастройки), при котором еще до пуска, либо уже у вращающегося двигателя параметры обмоток определяются автоматически. Если на выбираемом приводе предполагается реализовать прецизионную систему управления, то этот вопрос является особенно актуальным. 

Как выбрать частотный преобразователь?

Частотный преобразователь подбирается в зависимости от фазности нагрузки, её потребляемой мощности в разных режимах работы или номинального тока:

• По току. Если у электродвигателя номинальный ток составляет 30 А, то данная величина у частотника должна превышать данное значение. Токовое значение агрегата указывается на шильдике нагрузки.
• По потребляемой мощности. Если данные по току неизвестны, то устройство можно подобрать по полной потребляемой мощности агрегата. Она также должна быть ниже ресурса частотника.
• Если у частотного преобразователя окажутся меньшие токовые значения, чем у двигателя, то он может не запуститься или включится, но будет работать с перегрузкой, что негативно скажется на всей системы.По фазности. В основном частотник подключаются к трехфазной сети. Модели для сети 220/230 В имеют мощность до 3,5 кВт и рассчитаны на питание однофазных или трехфазных двигателей небольшой мощности.