Техническая информация по преобразователям частоты INTEK

Шаги выбора преобразователя частоты

1. Необходимо ответить на вопрос: «Зачем в данном приводе  необходимо  поставить преобразователь частоты?»

   Варианты ответов: 

   • Руководство приказало;
   • Обеспечить плавный пуск и уменьшить пусковые токи двигателя;
   • Понизить скорость вращения двигателя по сравнению с номинальной;
   • Повысить скорость вращения двигателя по сравнению с номинальной;
   • Запустить трехфазный двигатель от однофазной сети без потери мощности;
   • Запустить трехфазный двигатель от однофазной сети с большим пусковым моментом, превышающим номинальный мо двигателя;
   • Технологический процесс требует изменения скорости двигателя в процессе эксплуатации;
   • Требуется автоматизировать процесс поддержания давления в магистральном водопроводе;
   • Требуется решить задачу сбережения электрической энергии на водо-насосной станции или в котельной;
   • Обеспечить работу высокоскоростного  электродвигателя, например, электрошпинделя; 
   •  Замена привода с  двухскоростным или трех скоростным асинхронным двигателем.
2. Выбор преобразователя частоты по номинальной мощности электродвигателя.

   В обычных применениях номинальная мощность преобразователя и электродвигателя совпадают. Однако при этом следует помнить, что перегрузочная способность преобразователя по току составляет, как правило, 150% (для преобразователей типа G). Момент, развиваемый асинхронным электродвигателем при такой перегрузке, составляет не более 164% от номинального момента двигателя. 

   В некоторых применениях, например, в приводе вибрационных машин, в стиральных машинах, приводах экструдеров, такого момента явно не достаточно для нормального функционирования привода. Поэтому для применений, где могут возникать значительные перегрузки, номинальную мощность преобразователя следует выбирать с запасом по сравнению с номинальной мощностью  двигателя. При этом параметры преобразователя должны быть перенастроены для совместной работы с двигателем с пониженной номинальной мощностью (в любом преобразователе это можно сделать).

    С другой стороны, в применениях, связанных с насосным и вентиляционным оборудованием от преобразователя не требуется работа с перегрузкой. Процессы там протекают плавно, токи не выходят за пределы номинальных значений. В преобразователях, как правило (иногда на уровне служебных параметров), предусмотрена возможность перехода на повышенную номинальную мощность с одновременным снижением перегрузочной способности преобразователя до 120% (преобразователи типа P). То есть, предельные значения выходных токов остаются теми же самыми, однако повышаются пороговые значения срабатывания время-токовой защиты (ΔI²t). Преобразователи, в этом случае, способны неограниченное время (режим S1) работать с двигателями повышенной мощности.
   
   
   

3. Выбор преобразователя по напряжению сети.

    Отметим здесь, что напряжение на силовом выходе у обычного преобразователя не превышает напряжения на его входе. Поэтому номинальное напряжение двигателя, схему подключения его  обмоток  следует подбирать согласно  величине сетевого напряжения. Например, преобразователь, питающийся от однофазной сети 220В и предназначенный для этого, выдает на своем выходе напряжения от 0 до 220В, а обмотки двигателя должны быть подключены по схеме «треугольник». Если электродвигатель таков, что подключение «треугольником» невозможно, и двигатель предназначен для работы только от трехфазной сети 380В, то подключив такой двигатель к преобразователю на 220В, он не перегорит, но мощность, которую он сможет отдать в нагрузку, будет в три раза меньше её номинального значения. Двигатели, имеющие возможность выбора  схемы подключения обмоток («звезда-треугольник»), имеют шесть  выводов в клеммной коробке. Напряжение на входе преобразователя – очень важная характеристика. Её нельзя изменить и использовать преобразователь с номинальным  напряжением отличным от номинального напряжения сети. Более того, если преобразователь с номинальным напряжением 220В подключить к сети 380В, он неминуемо выйдет из строя и случай выхода из строя нельзя будет признать гарантийным.
   
   
   

4. Выбор преобразователя по максимальной частоте на его выходе.

    Общепромышленный асинхронный двигатель не предназначен для работы на частотах вращения выше своей синхронной скорости, то есть, при 50 Гц это  3000об/мин, 1500об/мин, 1000об/мин, 750об/мин и т.д. Разогнать такие двигатели до больших скоростей можно, но никто не гарантирует работоспособность такого двигателя в течение длительного промежутка времени. Наши рекомендации – не использовать общепромышленные двигатели на скоростях больших, чем номинальные значения на 40%. Ни балансировка роторов, ни подшипники таких двигателей не соответствуют большим скоростям. То есть, ограничение по максимальной частоте привода определяется не преобразователем частоты, а механическими характеристиками электродвигателя. Все преобразователи частоты могут обеспечить работу общепромышленных двигателей в отмеченном выше диапазоне частот.

   Отдельно, имеет смысл, затронуть вопрос о выборе преобразователя для питания высокоскоростного шпинделя. При таких применениях выходная частота преобразователей может достигать значений сотен и тысяч герц. И преобразователь частоты должен эту частоту обеспечивать на своем выходе. Кроме того, несущая частота (частота ШИМ) на выходного напряжения должна быть на порядок выше  максимальной частоте на выходе преобразователя. Только при таком соотношении частот выходной ток преобразователя близок к синусоидальной форме и шпиндельный двигатель отдаёт требуемую мощность в нагрузку, не перегреваясь. Следует помнить, что при повышенной частоте ШИМ нагрузочная способность преобразователя уменьшается и при частотах около 15 кГц составляет лишь половину своего номинального значения. 

   При работе привода на повышенных частотах вращения использование векторного режима работы не требуется, управление должно происходить в «скалярном» режиме (V/f).
   
   
   

5. Выбор преобразователя по диапазону регулирования скорости вращения двигателя.

   Под диапазоном регулирования понимается отношение наименьшей к наибольшей скоростям вращения электродвигателя. Это отношение определяется тем технологическим процессом, для автоматизации которого используется регулируемый привод. Причем стабильность поддержания скорости в этом диапазоне должна быть приемлемой для пользователя величиной.

   Вентиляционные и насосные приводы не требуют глубокого регулирования скорости. Диапазон, который здесь требуется, как правило, не превышает 1:3 … 1:4. Для такого диапазона вполне достаточно частотного регулирования скорости (скалярного режима управления). 

    Если требуемый диапазон регулирования скорости больший, например, регулирование скорости шнека экструдера, скорости подачи каретки бревнопильного станка, скорости перемещения транспортного механизма и др., то следует использовать скалярный режим с учетом тока и параметров двигателя (так называемый, улучшенный скалярный режим, диапазон до 1:20) либо векторный режим работы преобразователя частоты (диапазон до 1:100). В этих случаях преобразователь частоты должен поддерживать эти режимы работы.

   Преобразователи частоты, которые могут работать в векторном режиме с датчиками обратной связи – энкодерами, могут обеспечить диапазон регулирования скорости 1:1000 и более. А некоторые преобразователи поддерживают серво режим – режим управления положением, то есть могут остановиться в нужном положении и удерживать его при внешних возмущениях без дрейфа в ту или иную сторону.

    Следует отметить, что при низких скоростях вращения не происходит должного охлаждения асинхронного электродвигателя с самовентиляцией. И для  длительной работы привода на низкой скорости требуется установка дополнительного вентилятора под кожухом электродвигателя. Если дополнительная независимая вентиляция не используется, то асинхронный двигатель на низких скоростях вращения (от 0 до 40% номинальной скорости) и при полной загрузке  можно использовать только в кратковременном режиме.
   
   
   

6. Выбор привода по дополнительным аксессуарам, интегрированным в состав преобразователя частоты.

   При решении некоторых задач автоматизации большое значение имеют дополнительные приборы, которые «бесплатно» предлагаются вместе с преобразователем частоты. Это различного рода счетчики, таймеры, источники питания. Если перед пользователем стоит задача автоматизировать несложный объект, то все эти приборы бывают весьма кстати включены в состав преобразователя и в некоторых случаях позволяют обойтись без дополнительного электрошкафа с оборудованием. Особой  ценностью в этом смысле обладают преобразователи со встроенным источником питания 24В постоянного тока, которые позволяют питать датчики давления, бесконтактные выключатели или другую аппаратуру, работающую совместно с преобразователем. 
   
   
   

7. Выбор преобразователя по наличию режима «авто подхват».

   Режим поиска частоты при повторном автоматическом старте после  кратковременного отключения питания  (режим «авто подхвата») эффективен при инерционной нагрузке. Режим позволяет избежать аварийных режимов в таких ситуациях. По сравнению с режимом с предварительным торможением нагрузки постоянным током, протекающим через обмотки двигателя, режим «авто подхвата» позволяет наиболее быстро восстановить на заданном уровне вращение инерционной нагрузки.  Например, такой режим целесообразно использовать в вентиляционных системах с большими центробежными вентиляторами. Если режим поиска или торможения не использовать, то возможна  аварийная ситуация с перегрузкой  или с  коротким замыканием  при автоматическом перезапуске преобразователя при вращающейся нагрузке.
   
   
   

8. Выбор преобразователя по наличию режима S-образного разгона/торможения.

   Незначительная, на первый взгляд, характеристика преобразователя частоты, такая как форма кривой разгона – линейная или S-образная, может повлиять на выбор той модели преобразователя, который имеет этот S-режим. В качестве примера можно привести привод для буксировки спортсмена на водных лыжах. Переход из режима разгона на режим движения на постоянной скорости здесь должен проходить с наиболее возможной плавностью, чтобы у спортсмена не возникало чувства, что разгон прекратился и «трос бросили». Да и плавное  выбирание провиса фала при старте спортсмена тоже обеспечивается S-образным разгоном двигателя.
   
   
   

9. Выбор преобразователя по наличию  режима  PLC.

   Режим работы привода по программе, записанной в память преобразователя частоты, позволяет организовать движение привода по определенной программе, причем внешнее управляющее устройство не требуется. Внутреннее задание последовательности  скоростей, значение которых, и время вращения на этих скоростях задается самим пользователем. Циклограмма задается исходя из требований технологического процесса. Например, это может быть суточное изменение скорости вентилятора, или изменение скорости миксера при приготовлении химического полимерного состава.

   Сюда же можно отнести и режим треугольной волны (режим качания частоты, swing frequency function) -  вращение привода со скоростью, изменяющейся по «пилообразному» закону, который незаменим в некоторых областях текстильной и химической промышленностях.

Преобразователи частоты

Преобразователи частоты (частотные преобразователи, частотно-регулируемый привод, частотники, частотные инверторы и другие синонимы этого слова) предназначены для регулирования скорости вращения электрических машин переменного тока. Преобразователи частоты обладают некоторыми характеристиками, значение и смысл которых представлены ниже.

1. Тип подключаемых двигателей. Это тип электродвигателей, подключаемых к силовому выходу преобразователя частоты. Как правило, это асинхронные (в том числе с фазной роторной обмоткой) и синхронные электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов.

2. Мощность. Это номинальная мощность электродвигателя, подключаемого к силовому выходу преобразователя частоты. К выходу преобразователь частоты, как правило, можно подключать двигатели с мощностью от 30% до 120% от мощности преобразователя. Последний вариант (120%) относится к применениям со «спокойной» нагрузкой (например, вентиляторной), при этом перегрузочная способность преобразователя снижается.

3. Напряжение питания. Номинальное напряжение питания преобразователя должно совпадать с напряжением питающей силовой сети. Допустимое отклонения напряжения от номинального значения составляет ±10%. Снижение напряжения до -15% не должно приводить к аварийной ситуации, однако производитель преобразователей не всегда гарантирует в этих условиях соответствие характеристик преобразователя заявленным значениям. Как правило, здесь же указывается количество фаз питающего напряжения – 1 или/и 3 фазы.

4. Выходное напряжение. Это диапазон напряжений на силовом выходе преобразователя частоты. Напряжение может меняться в пределах от нуля до номинального напряжения сети (или чуть меньше из-за небольшого падения напряжения на IGBT –транзисторах внутри преобразователя). Выходное напряжение преобразователя не может быть больше сетевого напряжения питания, хотя количество фаз на выходе преобразователя может измениться по сравнению с количеством фаз на входе (например, на входе 1 фаза с напряжением 220В, а на выходе 3 фазы с напряжением 0-220В). Преобразователи, как правило, могут питать однофазную нагрузку, например, однофазные конденсаторные двигатели. Однако, запас мощности преобразователя по сравнению с номинальной мощностью двигателя должен быть двукратным. Кроме того, должна быть заблокирована защита преобразователя от «потери фазы на выходе». Реверс двигателя при этом невозможен.

5. Выходная частота. Это частота напряжения на выходе преобразователя. Чем выше эта частота, тем с большей скоростью может вращаться электродвигатель, подключенный на выход преобразователя. Выходная частота, как правило, связана с таким параметром. Как частота ШИМ (см. ниже). Последняя должна иметь значение быть на порядок большее, чем выходная частота.

6. Режим работы. Способ формирования выходного напряжения, его величины и частоты. Это, как правило, векторный режим и режим частотного управления. Последний получил ещё название «скалярный» в противовес векторному режиму. Векторный режим, хотя значительно увеличивает диапазон регулирования скорости вращения электродвигателя, однако требует обязательной индивидуальной настройки преобразователя на конкретный электродвигатель. Преобразователи, которые могут обеспечивать векторный режим, работают и в скалярном режиме.

7. Диапазон регулирования скорости.Чтобы об этом не заявляли производители частотников, диапазоны регулирования следующие (относительно номинальной скорости электродвигателя):

   • 1:10 для скалярного режима;
   • 1:20 для скалярного режима с учетом параметров и тока двигателя (требуется индивидуальная настройка);
   • 1:100 для векторного режима (требуется индивидуальная настройка);
   • 1:1000 для векторного режима с обратной связью (в качестве датчика обратной связи на вал двига устанавливается энкодер).

   Отметим здесь, что некоторые преобразователи совместно с двигателями и датчиками-энкодерами способны поддерживать режим управления положением (например, с помощью командных импульсов). В этот случае, такую систему можно рассматривать как сервопривод.

8. Частота ШИМ. На выходе преобразователя силовое напряжение не «гладкая» синусоида, а импульсное напряжение, с изменяемым коэффициентом заполнения импульсов. Частота следования импульсов называется частотой ШИМ или несущей частотой. Диапазон настройки частоты ШИМ в преобразователях от 1 кГц до 16кГц Такое импульсное напряжение подается на обмотки двигателя. Чем выше частота, тем тише работает двигатель, но потери в преобразователе значительно возрастают. При частоте 16кГц нагрузочная способность преобразователя падает в два раза.

9. Температура окружающей среды. Это температура воздуха около преобразователя. Если преобразователь частоты установлен в шкаф, то это температура внутри шкафа. При температуре выше предельной (но близких к ней) преобразователь остается работоспособным, но нагрузочная способность преобразователя значительно снижается.

10. Дискретные входы. Эти входы воспринимают 2-х уровневый электрический сигнал. Сигналы позволяют управлять преобразователем частоты. Первый уровень от 0 до 1,5В – это сигнал низкого уровня (LOW –сигнал). Второй уровень – от 12 до 30В – сигнал высокого уровня (HIGH-сигнал). Различают NPN и PNP дискретные входы. Эти названия определяют уровень активного сигнала (сигнала, соответствующего логической единице). Для NPN входов уровень активного сигнала – LOW, для PNP активный – HIGH-сигнал. Дискретные входы воспринимают отсутствие сигнала, как неактивное состояние.

11. Аналоговые входы. Это управляющие слаботочные входы. Различают аналоговый вход по напряжению (0-10В постоянного тока), и токовый вход (4-20мА). Диапазон сигнала можно перенастроить с помощью параметров преобразователя. Вход по напряжению, как правило, используют для задания частоты или задания ПИД-регулятора, токовый вход используют для подключения датчика обратной связи для ПИД-регулятора.

12. Внутренние источники питания. Это вспомогательные источники, позволяющие обеспечить питанием внешние потенциометры, датчики обратной связи, дискретные датчики (например, концевые выключатели) для управления преобразователем.

13. Дискретные выходы (транзисторные и релейные). Это выходы, на которых возникают информационные сигналы о работе преобразователя. Транзисторные выходы формируют 2-х уровневый электрический сигнал. Первый уровень от 0 до 1,5В – это сигнал низкого уровня (LOW –сигнал). Второй уровень – сигнал высокого импеданса. Сигналы формируются транзисторами с открытым коллектором. Если преобразователь имеет релейный выход, то клеммы этого выхода подключены к контактам внутреннего слаботочного электромагнитного реле (так называемым, «сухим» контактам, гальванически не связанными с цепями преобразователя)

14. Аналоговые выходы. Это сигнальные токовые выходы или выходы по напряжению. По этим сигналам можно судить о процессах, происходящих в приводе. Сигналы могут быть пропорциональны выходной частоте, силовому току, выходному напряжению.

15. ПИД-регулятор. Интегрированный в состав преобразователя регулятор, позволяет осуществлять регулирование какого-либо технологической величины, например, давление воды в магистрали, температуры объекта, охлаждаемого вентилятором и пр. При работе ПИД-регулятора скорость вращения двигателя изменяется таким образом, чтобы поддерживать технологическую величину на заданном уровне, независимо от действующих возмущений.

16. «Авто подхват». Это способность преобразователя определять скорость вращения инерционной нагрузки двигателя после кратковременного сбоя в питании этого преобразователя. «Авто подхват» позволяет ускорить восстановление вращения нагрузки, уменьшить пусковые токи при пропадании напряжения сети и его повторном включении.

17. Режим «PLC». Способность преобразователя частоты работать по управляющей программе, записанной в памяти этого преобразователя

18. S-образная кривая разгона. Возможность включения супер-плавного разгона двигателя до целевого значения скорости. Если линейный закон разгона-торможения позволяет обеспечить постоянное ускорение, то S-образная кривая предусматривает плавное нарастание величины ускорения до заданного уровня интенсивности разгона-торможения. То есть, сила, разгоняющая нагрузку, появляется не сразу, а нарастает постепенно. Это важно, например, при выборке люфтов в трансмиссии от двигателя к нагрузке.

19. Предустановленные скорости. Все возможные варианты скоростей вращения записываются в памяти преобразователя частоты. Комбинация сигналов на дискретных входах позволяет активировать тот или иной вариант задания, записанный в памяти. В этом случае не требуется формирование задания в аналоговом виде или задание скорости через цифровую сеть.

20. Встроенные счетчики, таймеры, пороговые реле и пр. Вспомогательные контрольно-измерительные элементы, интегрированные в состав преобразователя и позволяющие решать небольшие задачи по автоматизации технологического процесса, не прибегая к использованию других дополнительных устройств автоматики.

21. Порт RS485, протоколы цифровой связи. Позволяют объединить большое количество преобразователей в систему приводов, управляющихся по двум проводам из единого центра – контроллера верхнего уровня. Управление по цифровой сети целесообразно также при большом расстоянии между устройством управления сами преобразователем, когда не целесообразно тянуть жгут сигнальных проводов на это расстояние.

22. Степень защиты корпуса. Определяет защиту корпуса от проникновения внутрь твердых предметов, пыли, а также воды. Защита обозначается двумя цифрами после латинских букв IP. Чем больше цифры, тем сильнее защита. Степень – IP20 говорит о том, что для защиты преобразователей требуется их установка в шкаф, оболочка последнего обеспечивает защиту приборов от пыли и влаги.

23. Встроенный силовой ключ для тормозного резистора. Электродвигатели, подключенные к силовому выходу преобразователя, не всегда потребляют электроэнергию. Возможны режимы, когда поток энергии идет от двигателя к преобразователю. Например, при опускании груза, торможении инерционной нагрузки и т.п. В этом случае, поступающую в преобразователь энергию надо куда-то деть. Встроенный в преобразователь тормозной транзисторный ключ, в нужный момент подключает к цепям преобразователя резистор, он нагревается и «лишняя» энергия рассеивается в виде тепла. В некоторых преобразователях этот силовой ключ отсутствует. В мощных преобразователях с целью рассеивания «лишней» энергии может использоваться тормозной модуль (тормозной блок) вместе с тормозными резисторами. Тормозной модуль представляет собой транзисторное реле напряжения, подключающего в нужный момент резисторы к преобразователю. Сопротивление резисторов не должно быть меньше, чем минимально допустимая величина, оговоренная в технической документации к преобразователю. В противном случае преобразователь выйдет из строя при первом торможении двигателя.

Сравнение серий частотных преобразователей INTEK