Асинхронные двигатели – самые распространенные электрические машины. Они широко применяются для электропривода промышленного оборудования, исполнительных механизмов элементов автоматики, бытовых приборов и инструментов. Главные преимущества таких электродвигателей:
- Простота конструкции.
- Высокая мощность при относительно небольшой массе (кВт/кг).
- Жесткие механические характеристики во всем диапазоне нагрузок.
- Невысокая стоимость.
К недостаткам асинхронных электрических машин относятся высокие токи при прямом пуске, сложность регулирования частоты вращения и момента на валу. Это существенно ограничивало применение двигателей такого типа. Для регулировки скорости вала применялись малоэффективные механические устройства. Муфты, редукторы не ограничивают пусковые токи, потребляемую мощность при неполной нагрузке. Кроме того, такое оборудование усложняет схему электропривода. Изменение частоты вращения вала путем регулирования величины напряжения приводит к снижению жесткости механических характеристик двигателя.
Самый перспективный способ изменения частоты момента – регулировка частоты напряжения, подаваемого на обмотки. Однако, до появления силовых транзисторов и тиристоров, такой способ практически не использовался. Электромашинные преобразователи частоты существенно увеличивают стоимость и схему электропривода. Применение двигателей постоянного тока было гораздо дешевле.
После изобретения полупроводниковых устройств, рассчитанных на большую мощность, были созданы преобразователи частоты для асинхронных двигателей переменного тока.
Устройство частотных преобразователей
Преобразователь частоты – устройство на базе силовых полупроводниковых транзисторов или тиристоров. Наибольшее распространение получила инверторная схема с ШИМ-модулятором. Преобразователь частоты такого типа состоит:
- Из выпрямителя. Блок предназначен для преобразования переменного напряжения сети в постоянное.
- Из конденсаторного фильтра. Элемент предназначен для сглаживания пульсаций постоянного напряжения.
- Из инвертора. В этом блоке постоянное напряжение преобразуется в переменное.
- Из ШИМ-модулятора. Элемент генерирует импульсы, открывающие и запирающие ключи инвертора. При помощи ШИМ-модулятора регулируется частота выходного напряжения.
- Из схемы управления с контроллером. Блок предназначен для задания режима работы привода. Схема реализует различные алгоритмы управления, обеспечивает связь с датчиками, выполняет другие функции.
Такая схема позволяет получать переменное напряжение заданной частоты на выходе.
Для электроприводов с повторно-кратковременными режимами работы применяют другую схему регулирования. Такой преобразователь частоты построен на базе управляемого выпрямителя и инвертора. Устройство выполнено на базе силовых тиристоров. Главное достоинство таких преобразователей – возможность рекуперации электроэнергии в сеть при торможении электродвигателя.
К недостаткам относится несинусоидальная форма напряжения, выдаваемого на нагрузку. Для снижения негативного влияния помех в выходную цепь включают индуктивный фильтр.
Виды преобразователей частоты
Преобразователи частоты позволяют ликвидировать недостатки асинхронных двигателей и применять более дешевые электрические машины в регулируемых приводах, где использовались электродвигатели постоянного тока. Выпускают 2 вида ПЧ:
- Общепромышленного назначения. Оборудование такого типа имеет ряд базовых настроек. Преобразователи частоты общего назначения программируются под конкретный электропривод.
- Специализированные устройства. ПЧ имеют несколько заводских программ для определенного оборудования. Выпускают устройства для насосных агрегатов и насосных станций, кранов, дымососов, вентиляционных систем и других технологических установок. Специализированные ПЧ легко интегрируются в привод, их программирование не представляет сложности.
Выпускают также устройства для однофазных электродвигателей, высокоточного оборудования.
Функции преобразователей частоты
Современные частотные преобразователи совмещают функции схемы пуска, торможения, защиты. Устройства также позволяют изменять частоту вращения по событиям, осуществлять автоматическое управление по заданным алгоритмам.
Преобразователи частоты также обеспечивают связь с другими устройствами по локальной или структурированной сети предприятия по базовым протоколам обмена данными. Кроме того, частотные преобразователи:
- Отключают двигатель при ненормальных режимах работы, авариях.
- Изменяют момент и скорость в зависимости от изменения технологических параметров.
- Ограничивают пусковые токи.
- Позволяют упростить пусковую схему однофазных двигателей и улучшить рабочие характеристики таких электрических машин.
Устройства также могут записывать данные о включении, выключении, аварии и других событиях на встроенный или съемный носитель. Набор функций разных моделей преобразователей частоты существенно различается.
Как выбрать
Выбор частотного преобразователя делается на стадии проектирования привода или модернизации промышленного оборудования. При этом учитывают:
- Электромагнитную совместимость. Электропривод не должен отрицательно влиять на работу другого оборудования. Класс электромагнитной совместимости должен соответствовать параметрам промышленных установок и условиям эксплуатации. Для снижения помех используют экранируемые кабели, входные и выходные фильтры гармоник.
- Интервал регулирования скорости и момента на валу. Характеристики преобразователя частоты должны соответствовать требованиям технологического оборудования. Способ управления также должен отвечать условиям работы установок. Различают векторный и скалярный метод. Последний позволяет осуществлять точное регулирование с обратной связью по изменению технологических параметров. Скалярные ПЧ дешевле, их применяют в приводе вентиляторов, воздушных компрессоров. К одному преобразователю частоты такого типа можно подключать несколько двигателей.
- Мощности. Эта характеристика должна превышать номинальную мощность электродвигателя на 15-20%. При выборе также рассчитывают перезагрузочную способность. Эта характеристика определяется отношением пикового значения момента к номинальному моменту двигателя. Для электропривода с тяжелыми условиями пуска, динамической нагрузкой близкой к критической выбирают преобразователь частоты с высокой перезагрузочной способностью.
При выборе также учитывают наличие пульта дистанционного управления, количество входов и выходов для датчиков, другие характеристики, предполагаемый экономический эффект. Преобразователи частоты значительно экономят электроэнергию, продлевают срок эксплуатации двигателя, расширяют функциональные возможности промышленного оборудования.