Расчёт и выбор частотного преобразователя для электродвигателя

Изменение скорости и направления вращения асинхронного двигателя – проблема, которую приходится решать в ряде задач. Для этого можно использовать преобразователь частоты. Это силовой преобразователь, к которому подключают асинхронные двигатели, в результате изменения частоты выходного напряжения изменяется и скорость вращения ротора двигателя. Правильное управление электроприводом позволяет повысить эффективность его применения. В этой статье мы расскажем, как выбрать частотный преобразователь для электродвигателя по мощности, току и другим параметрам.

На какие параметры обратить внимание

Сразу стоит отметить, что с помощью частотного преобразователя вы можете подключить асинхронный трёхфазный двигатель к однофазной сети без конденсаторов, соответственно и без потери мощности.

Чтобы понять, как правильно выбрать частотный преобразователь, давайте рассмотрим ряд основных параметров:

  1. Мощность. Подбирают большую, чем полная мощность двигателя, который будет к нему подключен. Для двигателя на 2.5 кВт, если он работает с редкими незначительными перегрузками или в номинале, частотный преобразователь выбирают ближайший в сторону увеличения из модельного ряда, допустим на 3 кВт.
  2. Количество питающих фаз и напряжение – однофазные и трёхфазные. К однофазным на вход подключается на 220В, а на выходе мы получаем 3 фазы с линейным напряжением 220В или на 380В (уточняйте какое выходное напряжение при покупке, это важно для правильного соединения обмоток двигателя). К мощным трёхфазным приборам подключается три фазы соответственно.
  3. Тип управления – векторное и скалярное. Частотные преобразователи со скалярным управлением не обеспечивают точной регулировки в широких пределах, при слишком низких или слишком высоких частотах могут изменяться параметры двигателя (падает момент). Сам же момент поддерживается так называемой ВЧХ (функция U/f=const), где напряжение на выходе зависит от частоты. Для частотников с векторным управлением применяются цепи обратной связи, с их помощью поддерживается стабильность работы в широком диапазоне частот. А также, когда при постоянной частоте изменяется нагрузка на двигатель, такие преобразователи частоты более точно поддерживают момент на валу таким образом снижая реактивную мощность двигателя. На практике чаще встречаются частотные преобразователи со скалярным управлением, например, для насосов, вентиляторов, компрессоров и прочего. Однако при повышении частоты выше чем в сети (50 Гц) момент начинает снижаться, говоря простым языком – некуда повышать напряжение с увеличением оборотов. Модели с векторным управлением стоят дороже, их основная задача – поддержание высокого момента на валу, независимо от нагрузки, что может быть полезным для токарного или фрезерного станка, для поддержания стабильных оборотов шпинделя.
  4. Диапазон регулирования. Этот параметр важен, когда вам нужно регулировать электропривод в широком диапазоне. Если вам, например, нужно подстраивать производительность насоса – регулировка будет происходить в пределах 10% от номинала.
  5. Функциональным особенности. Например, для управления насосом будет хорошо, если в частотном преобразователе будет функция отслеживания режима «сухого хода».
  6. Исполнение и влагозащищенность. Этот параметр определяет, где может быть установлен частотник. Чтобы сделать правильный выбор определитесь где вы его установите, если это будет сырое помещение – подвал, например, то лучше поместить прибор в щит с классом защиты IP55 или близкий к нему.
  7. Способ торможения вала. Инерционное торможение происходит при простом отключении питания от двигателя. Для резкого разгона и торможения применяется рекуперативное или динамическое торможение, за счет обратного вращения электромагнитного поля в статоре, или быстрое понижение частоты с помощью преобразователя.
  8. Способ отвода тепла. При работе полупроводниковые ключи выделяют достаточно большое количество тепла. В связи с этим их устанавливают на радиаторы для охлаждения. В мощных моделях используется активная система охлаждения (с помощью кулеров), что позволяет снизить габариты и вес радиаторов. Это нужно учесть еще до покупки, перед тем как вы решите выбрать ту или иную модель. Сперва определите где и как будет проведен монтаж. Если он будет установлен в шкафу, то следует учесть и то, что при малом объеме пространства вокруг прибора охлаждение будет затруднено.

Часто преобразователи частоты подбирают для глубинного насоса. Он нужен для регулирования производительности насоса и поддерживания постоянного давления, плавного пуска, контроля работы «на сухую» и экономии электроэнергии. Для этого есть специальные приборы, которые отличаются от частотников общего назначения.

Как рассчитать частотник под двигатель

Есть несколько способов расчета для выбора частотного преобразователя. Рассмотрим их.

Подбор по току:

Ток преобразователя частоты должен быть равен или большим чем ток для трёхфазного электродвигателя, потребляемый при полной нагрузке.

Допустим есть асинхронный двигатель с характеристиками:

  • P = 7,5 кВт;
  • U = 3х400 В;
  • I = 14,73 А.

Значит длительный выходной ток частотного должен быть равен или больше чем 14.73А. Расчет показывает, что это равняется 9.6 кВА при постоянной или квадратичной характеристике крутящего момента. Таким требованиям с небольшим запасом соответствует модель: Danfoss VLT Micro Drive FC 51 11 кВт/3ф, которую будет вполне разумно выбрать.

Выбор по полной мощности:

Допустим есть двигатель АИР 80А2, на табличке которого указано (для треугольника):

  • P= 1,5 кВт;
  • U=220 В;
  • I=6 А.

Рассчитаем S:

S=3*220*(6/1,73)=2283 Вт =2,3 кВт

Выбираем преобразователь частоты с хорошим запасом, при том что мы его будем подключать к однофазной сети и использовать для управления вращением шпинделя токарного станка. Ближайшая модель, которая для этого подойдет: CFM210 3,3 кВт.

Стоит отметить, что модельный ряд большинства производителей соответствует стандартному ряду мощностей асинхронных двигателей, что позволит сделать выбор частотника с соответствующей мощностью (не превышающей). Если вы используете заведомо более мощный двигатель и не нагружаете его полностью, можно измерить фактический ток потребления и подобрать преобразователь частоты исходя из этих данных. В общем при расчёте частотника для двигателя учитывайте:

  1. Максимальный потребляемый ток.
  2. Перегрузочную способность преобразователя.
  3. Тип нагрузки.
  4. Как часто и насколько долго могут возникать перегрузки.

Теперь вы знаете, как выбрать частотный преобразователь для электродвигателя и на что обратить внимание при выборе данного типа устройств. Надеемся, предоставленные советы помогли вам подобрать подходящую модель под собственные условия!

Материалы по теме:

  • Как выбрать тепловое реле для электродвигателя
  • Что такое автоматическая частотная разгрузка
  • Измерение частоты переменного тока

Поделиться записью:

Частотный преобразователь (регулируемый электропривод) обеспечивает две его основные и взаимосвязанные функции: управление технологическим процессом рабочей установки в соответствии с предъявляемыми к нему требованиями и электромеханическое преобразование энергии с максимальной ее эффективностью. Реализация этих функций требует особого подхода к выбору и эксплуатации регулируемого электропривода по сравнению с нерегулируемым. Теоретические аспекты такого подхода хорошо известны специалистам в области автоматизированного электропривода (АЭП), Однако, за последние годы произошло заметное сокращение числа специализированных проектных организаций и отток из них наиболее квалифицированных специалистов в области электропривода.  Исчезла согласованность проектных и наладочных организаций, их разобщенность стала приводить к повторным ошибкам, а опыт ввода в эксплуатацию электроприводов стал практически (по конъюнктурным соображениям) ограничен для других специалистов.

Обоснование мощности н типа электрических двигателей и частотных преобразователей.

Регулирование технологических координат с высокой статической и динамической точностью требует от электропривода дополнительного запаса по его динамической мощности. Последняя должна выбираться с учетом его реальных нагрузочных диаграмм, включая и динамические составляющие моментов, связанные с изменением приведенного к валу электродвигателя момента инерции. При модернизации электропривода, связанной с заменой одного типа привода на другой, следует учитывать и разницу в перегрузочных способностях по току, моменту и моментах инерции заменяемых электродвигателей. Наиболее актуальны эти замечания для приводов, работающих в повторно-кратковременных режимах работы и на валу которых по технологии рабочей установки имеют место скачкообразные изменения нагрузок.

Распространенной ошибкой является выбор мощности частотного преобразователя питающего электродвигатель по реальной эксплуатационной мощности этого же двигателя в разомкнутой системе управления. При этом из-за ограничения максимально допустимого тока преобразователя возникает проблема обеспечения требуемых динамических показателей привода при введении обратных связей по регулируемым координатам.

Выбор частотных преобразователей на технологическую мощность привода, заметно меньшую номинальной установленной мощности электродвигателя, усугубляет и проблему автоматической идентификации значений его параметров и параметров регуляторов системы управления электроприводом с помощью встроенного в преобразователи их программного обеспечения. При несовпадении предварительно установленных граничных значений параметров двигателя близкого по мощности преобразователю его программное обеспечение либо указывает на невозможность идентификации параметров электродвигателя и блокирует работу преобразователя совместно с двигателем, либо вносит заметные погрешности в свою математическую модель двигателя, на основе которой вычисляются режимы работы и ограничения переменных электропривода. В итоге динамические показатели и эксплуатационная надежность электропривода снижаются.

При выборе частотных преобразователей, работающих в регулируемом электроприводе с высоко динамичными и повторно-кратковременными режимами, не редко игнорируется необходимость обеспечения рекуперации энергии со стороны электродвигателя в питающую сеть, либо на активную нагрузку. Такие преобразователи должны иметь либо двухсторонний обмен энергией между двигателем и питающей преобразователь сетью (ПЧ с непосредственной связью, на основе автономных инверторов тока, с блоком рекуперации на входе инвертора), либо иметь дополнительный резистор для сброса на него рекуперируемой энергии. Создание многодвигательного привода с единой шиной постоянного тока для питания инверторов ПЧ и установкой общего инвертора постоянного тока на неполную суммарную мощность привода способствует решению подобной проблемы. Понятно, что стоимость таких преобразователей возрастает, но технология работы установок и особенно требования их экстренного останова при аварийных режимах или опасности жизнедеятельности обслуживающего персонала вынуждает идти на дополнительные затраты.

Регулирование скорости привода переменного тока отражается и на ухудшении условий охлаждения электродвигателей с самовентиляцией при уменьшении их скорости. Российская электротехническая промышленность, к сожалению, отстает от производства специальных машин переменного тока при их питании от управляемых ПЧ. В итоге это заставляет либо увеличивать установленную мощность двигателей, либо решать в экстренных ситуациях проблему их дополнительного охлаждения.

Одна из особенностей питающих сетей крупных металлургических комбинатов России связана с тем, что их номинальное напряжение достигает 10 кВ. Это создает заметные трудности при замене нерегулируемого электропривода переменного тока на регулируемый, поскольку в отечественной промышленности отсутствует выпуск ПЧ с выходным напряжением до 10 кВ. Актуальность их создания весьма велика.

Для мощных технологических установок, где окружающая среда отличается повышенной влажностью или наличием токопроводящих Частиц, наметилась тенденция заказа со стороны эксплуатационного персонала низковольтного исполнения электропривода. Подобное решение способствует заметному снижению эксплуатационных затрат на его обслуживание при увеличении надежности и безопасности электрооборудования.

Согласование преобразователей частоты с питающей их сетью и электродвигателем.

Возможность резких колебаний и искажений напряжения и тока питающей преобразователи сети из-за коммутационных режимов (включении и отключении питающего преобразователь трансформатора, коммутации вентилей и т.п.) заставляет принимать специальные защитные меры по ограничению их влияния на работу преобразователя и системы его управления. К числу подобных мер относятся установка на входе преобразователя силовых токоограничивающих реакторов, защитных RC-цепей или варисторов. Актуальность обоснования и выбора их параметров сохраняется и до сих пор.

Особенно это проявляется при замене отечественных преобразователей на преобразователи иностранных фирм, когда сохраняются питающая сеть со всеми реальными для нее отклонениями напряжения и основные силовые элементы отечественного производства (трансформаторы, коммутационная аппаратура, электродвигатели) с параметрами (индуктивностью, емкостью, временем коммутации и т.п.), отличающимися от зарубежных.

Наличие промежуточного повышающего трансформатора на выходе ПЧ для питания электродвигателя с более высоким напряжением на статоре, чем выходное напряжение преобразователя, создает ряд проблем, связанных с дополнительным нагревом этого трансформатора из-за высокочастотных составляющих выходного тока преобразователя, с первоначальным пуском двигателя и выбором начальной частоты и выходного напряжения преобразователя. Они усиливаются для технологических установок с активным моментом сил сопротивления и требующих по технологии применения структур векторного управления электроприводом.

Внедрение ПЧ с широтно-импульсной модуляцией его выходного напряжения сопровождается усилением требований к состоянию изоляции силовых цепей элементов электропривода и возможности использования старых кабелей связи при реконструкции привода. Высокочастотные составляющие выходного напряжения преобразователей вынуждают устанавливать на их выходе либо дополнительные фильтры, либо ограничивать длину кабельных линий между преобразователем и двигателем для ограничения перенапряжений на силовых полупроводниковых ключах преобразователя. Заметно возросла и актуальность контроля изоляции силовых цепей электропривода с помощью специализированных устройств.

Для привода ряда механизмов (насосов, компрессоров, дутьевых вентиляторов и т.п.) по технологическим и экономическим соображениям часто закладываются требования управляемого пуска асинхронного двигателя до его номинальной скорости с последующим подключением двигателя на питающую сеть, или обратно от сети к ПЧ для управляемого режима торможения. Такие переключения могут сопровождаться заметными и, часто недопустимыми, изменениями тока в силовой цепи питания и скорости двигателя. Особенно это сказывается при больших нагрузках и малых моментах инерции привода, Для подобных режимов работы электропривода используется способ переключения с «перекрытием», когда асинхронный двигатель кратковременно подключается и к сети и к преобразователю частоты одновременно. При этом для достижения равенства частоты, амплитуды и синфазности выходного напряжения преобразователя с напряжением питающей сети в системе управления ПЧ должен предусматриваться специальный блок синхронизации, а для ограничения уравнительных токов между ПЧ и сетью устанавливаться разделительный дроссель.

Для регулируемого электропривода подъемно-транспортных механизмов (кранов, слитковозов и т.п.) могут возникать проблемы, связанные с кратковременными прерываниями тока в силовых цепях подключения статорных обмоток асинхронного электродвигателя к выходу ПЧ посредством контактных проводов (троллеев) через скользящие токосъемники, При работе ПЧ со скалярной системой управления координатами электродвигателя подобное прерывание тока лишь в одной его фазе не приводит к аварийным режимам и останову привода. При длительном прерывании тока в одной фазе электродвигателя из-за асимметрии его напряжения питания увеличиваются потери в двигателе и, при нагрузке на его валу, уменьшается частота вращения. В итоге ПЧ будет отключен со стороны защиты двигателя по превышению его температуры. При работе ПЧ с векторной системой управления координатами электродвигателя кратковременное прерывание тока в одной из фаз вызывает аварийное отключение привода и его останов. Кратковременное двухфазное прерывание питания электродвигателя в скользящих токосъемниках приводит, как правило, к отключению преобразователя по его максимально-допустимому току при последующем восстановлении питания двигателя, Для подобных режимов необходимо в программное обеспечение системы управления преобразователем включать либо возможность его автоматического повторного включения или “самоподхвата», при котором используется кинетическая энергия вращения ротора двигателя.

Наладка частотного преобразователя.

Развитие микропроцессорных систем управления электропривода позволяет получать весьма качественные его показатели, однако их техническая реализация требует и более глубокой информации о реальных параметрах элементов электропривода. К сожалению, в отечественных каталогах и паспортных данных на электрооборудование все реже можно найти данные по активным и реактивным сопротивлениям электрических обмоток двигателей, их тепловых постоянных времени, моментов инерции и т. п., т. е. по тем параметрам, которые должны вводиться в программное обеспечение системы управления электропривода. Отсутствие численных значений ряда параметров силовой части электропривода, которые должны вводиться в математическую модель электродвигателя, заметно ограничивает качество настройки и надежность работы электропривода. Поэтому во многих преобразователях предусмотрен режим идентификации этих параметров и автоматической настройки параметров регуляторов системы управления вводимого в эксплуатацию электропривода. Следует отметить, что настройка параметров регуляторов носит, как правило, «ориентировочный» характер, обеспечивая лишь устойчивость замкнутой системы регулирования выходных координат. Затем, при необходимости увеличения динамических показателей электропривода, параметры регуляторов должны корректироваться более качественно уже наладочным персоналом.

Увеличению точности и стабильности систем управления электропривода; их эксплуатационной надежности и снижению затрат на обслуживание способствуют идеология анализа и синтеза цифровых систем по подобию аналоговых систем управления; возможность реализации на их основе не только структур подчиненного регулирования координат электропривода, но и иных технологически обусловленных структур, например с переключающимися обратными связями, с системами по принципу фаззи-логики, нейронными системами и т. п.

Выбор структуры управления электропривода во многом определяет его конечные показатели регулирования. Для частотно-регулируемого асинхронного электропривода наиболее распространен скалярный принцип управления его координатами. Ему свойственна техническая простота измерения и регулирования переменных электродвигателя, а также возможность построения как замкнутых, так и разомкнутых систем управления его скоростью. Основной недостатком скалярного управления в трудности реализации желаемых законом регулирования момента и высоких динамических показателей регулирования координат электропривода, Поэтому для приводов, где по технологии требуется максимальное быстродействие при регулировании его координат и управление моментом электропривода, применяется векторное управление его координатами.

Наличие в программном обеспечении преобразователей стандартных функциональных модулей, позволяющих при наладке электропривода оперативно менять структуру и алгоритмы его управления в соответствии с возможными коррекциями технологических режимов его работы, способствует увеличению качества их настройки. На основе функциональных модулей могут быть реализованы и системы логического управления электроприводом, блокировок, защит и диагностирования работоспособности привода. При этом процедура построения и программирования функциональных модулей, представленных в цифровой форме преобразования сигналов, должна быть близка к широко понятной эксплуатационным персоналом аналоговой форме их реализации. Подобное решение имеет место для многих зарубежных преобразователей, где функциональные блоки объединяются между собой аналоговыми и логическими “соединителями», кодируемыми численными номерами.

Обеспечение электромагнитной совместимости частотного преобразователя.

Уменьшение мощности управления при резком увеличении динамических свойств элементов, роста мощности и числа дискретных преобразователей заметно обострили проблему электромагнитной совместимости (ЭМС) элементов АЭП и АСУТП. Проблема усугубляется и частым игнорированием ее специалистами, непосредственно отвечающими за функционирование АЭП и АСУТП — проектантами, конструкторами, службами электромонтажа, наладки и эксплуатации.

Распространенной ошибкой с позиций обеспечения ЭМС элементов АЭП в последнее время стало применение неэкранированных силовых кабелей между ПЧ и электродвигателем. Способствует этому и отсутствие выпуска в отечественной промышленности силовых кабелей, имеющих экранированную оболочку с внешним изоляционным слоем и специально предназначенных для работы с мощными ПЧ. В итоге приходиться пользоваться зарубежной кабельной продукцией с весьма высокими на нее ценами.

Обеспечения работоспособности электропривода связано и с необходимостью диагностирования его технического состояния в условиях промышленной эксплуатации АЭП. Кроме общепринятых и программно реализованных в устройствах управления ПЧ систем диагностирования собственно электроприводов, для контроля внешних устройств управления электроприводом и технологических режимов его работы целесообразно сопровождать эти системы видеотерминальными устройствами наблюдения и записи контролируемых координат со встроенными в них дополнительными программами диагностирования. Так, для управления технологическими режимами и диагностирования технического состояния асинхронного частотно-регулируемого электропривода резиносмесителя MX-2 специалистами ОАО «Электропривод» и кафедры электропривода МЭИ была разработана и внедрена видеотерминальная станция, работающая в режиме реального времени и обеспечивающая регистрацию, визуализацию и архивацию основных координат электропривода, в том числе и в аварийных ситуациях.

Литература:
АЭП-2007

Поделиться записью: