Частотные преобразователи (инверторы)


Здравствуйте, уважаемые читатели блога nasos-pump.ru

Частотные преобразователи

Частотные преобразователи

В рубрике «Принадлежности» рассмотрим частотные преобразователи, или как их еще называют инверторы. Частотные преобразователи (инверторы) используются в различных областях промышленности и народного хозяйства, где применяются асинхронные двигатели. Асинхронные двигатели сегодня – это самые массовые и надежные устройства, применяемые в качестве приводов для различных станков, механизмов насосов, компрессоров и т. д. и т. п. Но у асинхронных двигателей есть и два существенных недостатка. Первый; большие пусковые токи, превышающие номинальный в пять – семь раз, и второй недостаток, невозможно с помощью простой регулировки изменить скорость вращения ротора. При использовании механических устройств регулирования, они получаются очень громоздкими и энергоемкими. Эти недостатки  приводят к большим потерям электрической энергии и к ударным механическим нагрузкам, что очень отрицательно сказывается на сроке службы оборудования. Частотный преобразователь позволяет решить эти проблемы не механическим, а электронным способом, кроме того, он снижает пусковые токи в четыре – пять раз. Инвертор обеспечивает плавный пуск асинхронного двигателя и осуществляет управление приводом по заданному алгоритму работы. Регулировка числа оборотов электрического двигателя происходит за счет изменения частоты переменного тока подводимого к приводу. Коэффициент полезного действия (КПД) частотного преобразователя составляет не менее 98%. Инвертор экономит до 50% потребление энергии. Частотный преобразователь обеспечивает плавное регулирование скорости вращения ротора в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью. Регулирование скорости при этом не сопровождается увеличением скольжения асинхронного двигателя, поэтому потери мощности при регулировании невелики.

 Принцип работы частотного преобразователя

Принцип частотного регулирования электрических приводов был разработан еще в 30х годах прошлого столетия и разработан он  на основе тиристоров. Однако только в последние 20 лет инверторы стали активно эксплуатироваться. Широкое распространение частотно регулируемого привода над приводом постоянного тока позволили осуществить новые разработки в элементной базе. На рынке появилась относительно недорогая серия биполярных транзисторов с изолированным затвором, так называемые IGBT транзисторы (Insulated Gate Bipolar Transistor — биполярный транзистор с изолированным затвором). Входные характеристики этих транзисторов подобны входным характеристикам полевых транзисторов, а выходные – выходным характеристикам биполярного транзистора. Рассчитаны эти транзисторы на токи до нескольких сот ампер, на напряжение до нескольких киловольт и частоту переключения 30 кГц и выше. По быстродействию они значительно превосходят биполярные транзисторы. Чаще всего IGBT-транзисторы используют в качестве мощных ключей в выходных каскадах инвертора для управления электродвигателями, в системах бесперебойного питания с напряжениями свыше 1 кВ и токами в сотни ампер. IGBT-транзисторы очень быстро начали вытеснять тиристоры из высоковольтных схем преобразователей частоты и позволили создать импульсные источники вторичного электропитания с качественно лучшими характеристиками и небольшими габаритами. Несравненное достоинство этих транзисторов заключается в тои, что во включенном состоянии при токах в сотни ампер падение напряжения на транзисторе составляет порядка 1,5 – 3,5В.

Для лучшего понимания принципов, лежащих в основе частотного регулирования скорости вращения ротора, необходимо вспомнить устройство асинхронного электродвигателя переменного тока с короткозамкнутым ротором. В наше время асинхронные двигатели являются наиболее распространенными электродвигателями. Данный двигатель состоит из  неподвижного статора с обмотками, образующими полюса, и подвижного короткозамкнутого ротора. При подключении к статорным обмоткам электродвигателя трехфазного напряжения сдвинутого относительно друг друга на 120 градусов, на обмотках статора создает вращающееся магнитное поле статора. Магнитное поле статора движется быстрее ротора, это способствует наведению тока в проводниках обмотки ротора, в результате чего образуется магнитное поле ротора. Магнитные поля статора и ротора формируют свои магнитные потоки, эти потоки будут притягиваться друг к другу и создавать вращающий момент, который заставит ротор вращаться. Для создания момента необходимо, чтобы статорное поле вращалось с большей скоростью, чем частота вращения ротора. Эта разница в скорости вращения называется скольжением. Частоту вращения магнитного поля принято считать синхронной частотой вращения(Ns). Синхронную частоту вращения можно рассчитать по формуле: Ns=120*F/P, где F – частота сети, P – число полюсов электродвигателя. Скорость ротора асинхронного электродвигателя можно регулировать, изменяя частоту питающего напряжения или изменяя число пар полюсов. На изменении частоты питающего напряжения и основан метод частотного регулирования. Изменяя с помощью инвертора частоту напряжения подводимого к двигателю, мы регулируем скорость вращения ротора. Следует отметить, что выходная частота в современных частотных преобразователях изменяется в широком диапазоне и может быть как ниже, так и выше частоты питающей сети.

Частотные преобразователи (инверторы) с широтно-импульсным модулированием (ШИМ) представляет собой устройство с двойным преобразованием напряжения. Необходимо отметить следующее, всякое импульсное устройство создает помехи. Для уменьшения этих помех используются фильтры как на входе в частотный преобразователь, так и на выходе. Фильтр на входе предотвращает попадание помех от работы частотного преобразователя на другие устройства подсоединённые к электрической сети. Кроме того, он предотвращает попадание помех из электрической сети в частотный преобразователь. Упрощенная структурная схема преобразователя частоты указана на (рис. 1).

Функциональная схема преобразователя частоты

Функциональная схема преобразователя частоты

Сначала сетевое напряжение ~220В или ~380В с помощью выпрямителя на диодах выпрямляется в постоянное, а затем с помощью конденсаторов сглаживается и фильтруется. Это первый этап преобразования переменного напряжения в постоянное. На втором этапе, инвертор, выходной, каскад которого выполнен на основе IGBT- модулей, осуществляет обратное преобразование из постоянного напряжения в переменное, обеспечивая тем самым формирование выходных сигналов с необходимыми значениями напряжения и частоты. Управляет работой выходного каскада высокочастотной широтно-импульсной модуляции (ШИМ). В этом случае выходной сигнал инвертора представляет собой последовательность импульсов напряжения постоянной амплитуды и изменяющейся скважностью (длительностью), которая на индуктивной нагрузке – обмотке статора, формирует токи синусоидальной формы. На выходе частотного преобразователя выдаются пачки прямоугольных импульсов, но за счет индуктивной нагрузки обмоток статора двигателя, эта последовательность интегрируются и превращаются в напряжение близкое к синусоиде (рис. 2).

Выходное напряжение и ток

Выходное напряжение и ток

Фильтр на выходе из частотного преобразователя уменьшает нагрузку на изоляцию электродвигателя. Существует множество типов выходных фильтров. Монтаж выходного фильтра приводит к определённым потерям мощности. Величина потерь зависит от частоты переключения инвертора. Для снижения этих потерь уменьшают частоту переключений, в случае, когда установлен фильтр на выходе. Однако установка фильтра на выходе будет всегда сказываться на общей производительности системы. Невозможно использование фильтры без потерь. Применение выходных фильтров актуально при большой длине выходных кабелей. Информацию о том, какой должна быть длина кабеля и максимальной допустимой частоте переключения для фильтров на выходе можно найти в руководствах по монтажу и эксплуатации частотных преобразователей. Такие известные производители насосного оборудования как Wilo или Grundfos имеют линейки насосного оборудования с частотными преобразователями, установленными на двигателях насосов. В этом случае длина подсоединительных кабелей минимальна, и никаких дополнительных выходных фильтров, устанавливать не нужно.

Подбор частотного преобразователя

При выборе частотного преобразователя под насосное необходимо обратить внимание на  напряжение питания, мощность и номинальный ток двигателя. Обычно эта информация содержится на фирменной табличке двигателя.

  1. Напряжение питания двигателя. Следует обратить внимание на то что, существуют однофазные и трехфазные частотные преобразователи. При подключении однофазного инвертора к сети питания ~220 – 240В на выходе получится трех фазное  напряжение ~220 – 240В. Благодаря наличию таких частотных преобразователей появилась возможность подключать трехфазные двигатели в однофазную сеть. При этом рабочие обмотки у  двигателя должны быть соединены по схеме «треугольник» Правда, здесь есть определенные ограничения по мощности двигателя.
  2. Мощность двигателя. Одним из наиболее важных параметров электродвигателя является его мощность. По этой причине при выборе частотного преобразователя необходимо определится с его нагрузочной способностью. В соответствии с имеющейся номинальной мощностью двигателя выбирается и инвертор. Мощности двигателя и частотного преобразователя, как правило, совпадают.
  3. Номинальный ток двигателя. Номинальный ток частотного преобразователя должен быть не ниже чем у двигателя. На инвертор обычно возлагаются функции защиты двигателя, ограничения тока – при пуске, при продолжительной работе, при останове и даже при коротком замыкании.
  4. Параметры регулирования системы отопления и/или повышения давления передаются через специальные датчики сигналов. 0-10 В и 4-20 мА. Датчик используется в качестве обратной связи. Монтируется датчик на выходе из насоса и подключается непосредственно на клеммы частотного преобразователя.
  5. С регулированием частоты вращения двигателя связана еще одна особенность – это охлаждение двигателя. Асинхронный двигатель охлаждается вентилятором, установленным на его валу, поэтому при снижении оборотов эффективность охлаждения резко падает. Некоторые преобразователи частоты имеют функцию контроля температуры двигателя с помощью обратной связи через датчик РТС монтированный в обмотки двигателя. Если в обмотки двигателя вмонтирован датчик РТС, то лучше приобретать преобразователь частоты с функцией защиты двигателя по показаниям этого датчика. Если в инверторе нет этой функции, то нудно ограничивать нижний придел частоты.

Преобразователи частоты имеют дисплей, на котором отображаются основные параметры: давление в системе, потребляемую двигателем мощность, выходную частоту, дату и время, общее время наработки преобразователя и т. д.

 Эксплуатация, обслуживание и ремонт

При соблюдении правил монтажа и условий эксплуатации частотные преобразователи (инверторы) работают долго и надежно. Специального технического обслуживания не требуется. В случае нарушения условий монтажа и эксплуатации, частотный преобразователь может выйти из строя. Стоимость ремонта  инвертора составляет 40-60% от стоимости нового оборудования.

 

Спасибо за внимание.

P.S. Понравился пост? Порекомендуйте его в социальных сетях своим друзьям и знакомым.

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Google Plus
[Google]

8 thoughts on “Частотные преобразователи (инверторы)

  1. Pingback: Способы запуска трехфазных асинхронных двигателей Способы запуска трехфазных асинхронных двигателей | Насосное оборудование и принадлеж

  2. Pingback: Подшипники для электродвигателей | Насосное оборудование и принадлежности

  3. Pingback: Автоматы защиты электродвигателей | Насосное оборудование и принадлежности

  4. Pingback: Подбор установок повешения давления воды | Насосы и принадлежности

  5. Pingback: Автоматы защиты электродвигателей | Насосы и принадлежности

  6. Гиниятов Ленар

    Добрый день!
    Хотелось автоматизировать подачу нагретой воды потребителям, процесс состоит так- паром нагревается питьевая вода сливается в емкость, откуда насосами подается потребителю, персонала постоянно находящегося там нет поэтому питьевая вода нагревается и льется постоянно .
    Хотелось бы наши насосы 6 к-8а с 22 кВт двиг. увязать к вашему преобразователю по давлению на напорном трубопроводе и завязать к преобраз. затвор на подаче питьевой воды для снижения объема воды есть ли такие возможности

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *