Частотник для регулировки оборотов электродвигателей, особенности использования и варианты регулировки

Регулируемый асинхронный привод широко распространен и популярен так, что фактически заменил собой синхронные электродвигатели и привод постоянного тока.

Варианты регулировки скорости электродвигателя включают несколько существующих способов:

1. Изменение подачи напряжения;
2. Переключение обмоток асинхронных двигателей;
3. Частотная регулировка скорости электродвигателя с помощью изменения токовых величин;
4. Применение электронного коммутатора.

Во многом это произошло благодаря появлению частотных преобразователей, обеспечивающих энергетические и динамические показатели. Использование частотного регулятора скорости считается самым прогрессивным и востребованным методом, входящим в способы регулировки оборотов вращения асинхронных двигателей.

Основное предназначение, которое выполняет частотный регулятор скорости для асинхронного двигателя основывается на осуществлении питания таким образом, чтобы рабочие характеристики агрегата радикально отличались от обычных параметров, получаемых из сети. При этом напряжение в сети и частота должны остаться неизменными.

Устройство и принцип работы, структура частотного регулятора

Принцип работы частотного регулятора для асинхронного двигателя заключается в питании электродвигателя переменным напряжением с меняющимися по необходимости, параметрами амплитуды и частоты. При этом поддержка соотношения напряжение/частота остаются четко определенными и неизменными. Генерирование переменного напряжения происходит благодаря силовому электронному преобразователю.

Рис. №1 Принципиальная схема преобразователя частоты.

Принцип работы подразумевает использование широтно-импульсной модуляции. Принцип подразумевает подачу импульсного напряжения на обмотки двигателя с амплитудой равной напряжению, полученному от выпрямителя. Импульсы модулированы по ширине и создают напряжение переменного тока с изменяющейся амплитудой. Наглядным примером могут считаться кривые междуфазного напряжения и тока в одной обмотке двигателя при соединении обмоток треугольником.

Рис. №2 График напряжения на выходе ШИМ и ток в двигательной обмотке при соединении трехфазного асинхронного двигателя в треугольник.

Основные элементы, которые входят в структуру частотного преобразователя

Частотный преобразователь состоит из следующих компонентов:

1. Мостовой выпрямитель на 1 или 3 фазы, оборудован конденсатором на выходе, является источником постоянного напряжения.
2. Мостовой инвертор (IGBT) питается постоянным напряжением с помощью широтно-импульсного метода модуляции, служит для генерации напряжения переменного тока с изменяемой амплитудой и частотой.
3. Модуль управления, который подает команды проводимости на инвертор. Они зависят от сигналов, подаваемых оператором и сведений о результатах измерений электрических величин (сетевое напряжение, нагрузочный ток двигателя).

Структура частотного регулятора

В настоящее время детально разработаны и широко применяются две основные топологии многоуровневых частотных преобразователей. Это каскадные и преобразователи на базе многоуровневых частотных инверторов напряжения.

Рис. №3 Структурная схема частотного преобразователя многоуровневого типа высокого напряжения, построенная на базе IGBT-транзисторов с воздушным или водяным охлаждением.

В состав устройства включен многообмоточный трансформатор. К особенностям схемы относится наличие силовых ячеек с последовательным соединением, благодаря чему на выходе устройства получается суммарное высокое напряжение. Подобная схема служит для получения формы выходного напряжения практически приближенной к идеальному синусу. Наличие шунтируемых в момент неисправности ячеек обуславливает высокую надежность схемы.

Как продолжение предыдущей схемы рассмотрим схему преобразователя на базе трансформаторного многоуровневого инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией с применением IGBT-модулей. Для устройства характерна фиксированная частота ШИМ – 3кГц. В структуру устройства включены система защиты с использованием микропроцессора.

Рис. 4 Структурная схема преобразователя.

На схеме видно, что все блоки функционально взаимосвязаны. На схеме показано как работает частотный регулятор для асинхронного двигателя, устройство и принцип работы.

В первом блоке находится входной трансформатор, в блоке осуществляется передача электроэнергии от трехфазного высоковольтного источника питания. От многоуровневого трансформатора производится распределение пониженного напряжения в шкаф инвертора на многоуровневый инвертор.

Шкаф инвертора включает в состав многоуровневый трехфазный инвертор, состоящий из ячеек – преобразователей. В каждой находится шестиимпульсный фильтр для выпрямления звена постоянного тока и мостовой инвертор напряжения на IGBT-транзисторах. По схеме происходит выпрямление входного переменного тока, который благодаря инвертору изменяется в переменный ток, обладающий регулируемыми показателями частоты и напряжения.

В шкафу защиты управления находятся микропроцессорный блок, обладающий многофункциональными возможностями и системой питания от ТСН преобразователя, устройство ввода преобразователя и первичные сенсоры, обозначающие режимы работы преобразователя.

Микропроцессор служит для формирования сигналов управления инвертором в зависимости от обозначенного алгоритма работы. Он служит для обработки сведений, собранных с датчиков напряжения и тока. Микропроцессор формирует сигналы для управления защитами и аварийными кнопками управления, корректирует алгоритм управления.

Для передачи сведений и связи используется оптоволоконный кабель. Для бесперебойной работы имеется независимый встроенный источник питания. Редактирование параметров выполняется пультом дистанционного управления.

Для надежного отключения и безопасного проведения различного рода работ преобразователь оборудован линейным разъединителем.

Рис. №5 Обобщенная схема ячейки преобразователя

Источники управляемого переменного напряжения формируют фазу напряжения для выполнения их последовательного соединения. Выходная схема питающей сети асинхронного двигателя происходит по схеме соединения обмоток «Звезда». Напряжение в трехфазном инверторе распределяется по схеме.

Рис. №6 Схема распределения напряжения в инверторе на три фазы.

Частотные преобразователи для однофазного асинхронного электродвигателя

Использование малогабаритных частотных преобразователей применяется при управлении скоростью вращения однофазных двигателей, применяемых в конструкциях бытовых устройств и для производства технологических процессов. Подробней про регулирование однофазного асинхронного двигателя с помощью частотного преобразователя смотрите здесь.

Частотный регулятор скорости для асинхронного двигателя будет необычайно актуальным в схемах управления такими приборами, как кондиционеры воздуха, холодильные камеры, электрические вентиляторы, насосы, все оборудование с использованием асинхронных электродвигателей.

Особенности использования регуляторов скорости для однофазных электродвигателей

В конструкцию частотного регулятора входит несколько элементов, обеспечивающих эффективность работы устройства, к ним относятся:

1. Встроенный конвертер интерфейсов RS485 (работает опционно);
2. Встроенный ПЛК контроллер;
3. Встроенный ПИД-регулятор (формирует сигнал для управления устройством).

К преимущественным особенностям использования регуляторов скорости относятся инновационные технологии векторного управления. Значительная энергосберегающая эффективность – это функция, которая обеспечивается в автоматическом режиме. Управление регулятором скорости можно выполнять с помощью дистанционного пульта управления, минимальное расстояние для управления 5м.

Важно: в конструкции преобразователя частоты предусмотрена возможность автоматически регулировать выходное напряжение.

Популярные модели регуляторов скорости для однофазного двигателя

Среди многообразия устройств, выполняющих функцию управления электродвигателем, существуют две основные разновидности моделей регуляторов оборотов. Это электронные тиристорные однофазные регуляторы скорости, которые работают за счет плавного изменения напряжения питания. Вторая разновидность моделей регуляторов оборотов – трансформаторный однофазный регулятор скорости. Его работа заключается в изменении положения трехступенчатого кулачкового переключателя, с помощью которого происходит изменение комбинации переключения обмоток.

Частотное управление регулированием скоростью асинхронного электродвигателя в наше время является техническим стандартом. Использование частотного регулятора вытеснило очень многие способы управления. Симметричное и несимметричное управление напряжением и использование добавочных сопротивлений, изменение числа пар полюсов ушли в прошлое.

Управление скоростью вращения однофазных двигателей

Однофазные асинхронные двигатели питаются от обычной сети переменного напряжения 220 В.

Наиболее распространённая конструкция таких двигателей содержит две (или более) обмотки — рабочую и фазосдвигающую. Рабочая питается напрямую, а дополнительная через конденсатор, который сдвигает фазу на 90 градусов, что создаёт вращающееся магнитное поле. Поэтому такие двигатели ещё называют двухфазные или конденсаторные.

Регулировать скорость вращения таких двигателей необходимо, например, для:

• изменения расхода воздуха в системе вентиляции
• регулирования производительности насосов
• изменения скорости движущихся деталей, например в станках, конвеерах

В системах вентиляции это позволяет экономить электроэнергию, снизить уровень акустического шума установки, установить необходимую производительность.

Способы регулирования

Рассматривать механические способы изменения скорости вращения, например редукторы, муфты, шестерёнчатые трансмиссии мы не будем. Также не затронем способ изменения количества полюсов обмоток.

Рассмотрим способы с изменением электрических параметров:

• изменение напряжения питания двигателя
• изменение частоты питающего напряжения

Регулирование напряжением

Регулирование скорости этим способом связано с изменением, так называемого, скольжения двигателя — разностью между скоростью вращения магнитного поля, создаваемого неподвижным статором двигателя и его движущимся ротором:

n₁ — скорость вращения магнитного поля

n₂ — скорость вращения ротора

При этом обязательно выделяется энергия скольжения — из-за чего сильнее нагреваются обмотки двигателя.

Данный способ имеет небольшой диапазон регулирования, примерно 2:1, а также может осуществляться только вниз — то есть, снижением питающего напряжения.

При регулировании скорости таким способом необходимо устанавливать двигатели завышенной мощности.

Но несмотря на это, этот способ используется довольно часто для двигателей небольшой мощности с вентиляторной нагрузкой.

На практике для этого применяют различные схемы регуляторов.

Автотрансформаторное регулирование напряжения

Автотрансформатор — это обычный трансформатор, но с одной обмоткой и с отводами от части витков. При этом нет гальванической развязки от сети, но она в данном случае и не нужна, поэтому получается экономия из-за отсутствия вторичной обмотки.

На схеме изображён автотрансформатор T1, переключатель SW1, на который приходят отводы с разным напряжением, и двигатель М1.

Регулировка получается ступенчатой, обычно используют не более 5 ступеней регулирования.

Преимущества данной схемы:

• неискажённая форма выходного напряжения (чистая синусоида)
• хорошая перегрузочная способность трансформатора

Недостатки:

• большая масса и габариты трансформатора (зависят от мощности нагрузочного мотора)
• все недостатки присущие регулировке напряжением

Тиристорный регулятор оборотов двигателя

В данной схеме используются ключи — два тиристора, включённых встречно-параллельно (напряжение переменное, поэтому каждый тиристор пропускает свою полуволну напряжения) или симистор.

Схема управления регулирует момент открытия и закрытия тиристоров относительно фазового перехода через ноль, соответственно «отрезается» кусок вначале или, реже в конце волны напряжения.

Таким образом изменяется среднеквадратичное значение напряжения.

Данная схема довольно широко используется для регулирования активной нагрузки — ламп накаливания и всевозможных нагревательных приборов (так называемые диммеры).

Ещё один способ регулирования — пропуск полупериодов волны напряжения, но при частоте в сети 50 Гц для двигателя это будет заметно — шумы и рывки при работе.

Для управления двигателями регуляторы модифицируют из-за особенностей индуктивной нагрузки:

• устанавливают защитные LRC-цепи для защиты силового ключа (конденсаторы, резисторы, дроссели)
• добавляют на выходе конденсатор для корректировки формы волны напряжения
• ограничивают минимальную мощность регулирования напряжения — для гарантированного старта двигателя
• используют тиристоры с током в несколько раз превышающим ток электромотора

Достоинства тиристорных регуляторов:

Недостатки:

• можно использовать для двигателей небольшой мощности
• при работе возможен шум, треск, рывки двигателя
• при использовании симисторов на двигатель попадает постоянное напряжение
• все недостатки регулирования напряжением

Стоит отметить, что в большинстве современных кондиционеров среднего и высшего уровня скорость вентилятора регулируется именно таким способом.

Транзисторный регулятор напряжения

Как называет его сам производитель — электронный автотрансформатор или ШИМ-регулятор.

Изменение напряжения осуществляется по принципу ШИМ (широтно-импульсная модуляция), а в выходном каскаде используются транзисторы — полевые или биполярные с изолированным затвором (IGBT).

Выходные транзисторы коммутируются с высокой частотой (около 50 кГц), если при этом изменить ширину импульсов и пауз между ними, то изменится и результирующее напряжение на нагрузке. Чем короче импульс и длиннее паузы между ними, тем меньше в итоге напряжение и подводимая мощность.

Для двигателя, на частоте в несколько десятков кГц, изменение ширины импульсов равносильно изменению напряжения.

Выходной каскад такой же как и у частотного преобразователя, только для одной фазы — диодный выпрямитель и два транзистора вместо шести, а схема управления изменяет выходное напряжение.

Плюсы электронного автотрансформатора:

• Небольшие габариты и масса прибора
• Невысокая стоимость
• Чистая, неискажённая форма выходного тока
• Отсутствует гул на низких оборотах
• Управление сигналом 0-10 Вольт

Слабые стороны:

• Расстояние от прибора до двигателя не более 5 метров (этот недостаток устраняется при использовании дистанционного регулятора)
• Все недостатки регулировки напряжением

Частотное регулирование

Ещё совсем недавно (10 лет назад) частотных регуляторов скорости двигателей на рынке было ограниченное количество, и стоили они довольно дорого. Причина — не было дешёвых силовых высоковольтных транзисторов и модулей.

Но разработки в области твердотельной электроники позволили вывести на рынок силовые IGBT-модули. Как следствие — массовое появление на рынке инверторных кондиционеров, сварочных инверторов, преобразователей частоты.

На данный момент частотное преобразование — основной способ регулирования мощности, производительности, скорости всех устройств и механизмов приводом в которых является электродвигатель.

Однако, преобразователи частоты предназначены для управления трёхфазными электродвигателями.

Однофазные двигатели могут управляться:

• специализированными однофазными ПЧ
• трёхфазными ПЧ с исключением конденсатора

Преобразователи для однофазных двигателей

В настоящее время только один производитель заявляет о серийном выпуске специализированного ПЧ для конденсаторных двигателей — INVERTEK DRIVES.

Это модель Optidrive E2

Для стабильного запуска и работы двигателя используются специальные алгоритмы.

При этом регулировка частоты возможна и вверх, но в ограниченном диапазоне частот, этому мешает конденсатор установленный в цепи фазосдвигающей обмотки, так как его сопротивление напрямую зависит от частоты тока:

f — частота тока

С — ёмкость конденсатора

В выходном каскаде используется мостовая схема с четырьмя выходными IGBT транзисторами:

Optidrive E2 позволяет управлять двигателем без исключения из схемы конденсатора, то есть без изменения конструкции двигателя — в некоторых моделях это сделать довольно сложно.

Преимущества специализированного частотного преобразователя:

• интеллектуальное управление двигателем
• стабильно устойчивая работа двигателя
• огромные возможности современных ПЧ:
  • возможность управлять работой двигателя для поддержания определённых характеристик (давления воды, расхода воздуха, скорости при изменяющейся нагрузке)
  • многочисленные защиты (двигателя и самого прибора)
  • входы для датчиков (цифровые и аналоговые)
  • различные выходы
  • коммуникационный интерфейс (для управления, мониторинга)
  • предустановленные скорости
  • ПИД-регулятор

Минусы использования однофазного ПЧ:

Использование ЧП для трёхфазных двигателей

Стандартный частотник имеет на выходе трёхфазное напряжение. При подключении к ему однофазного двигателя из него извлекают конденсатор и соединяют по приведённой ниже схеме:

Геометрическое расположение обмоток друг относительно друга в статоре асинхронного двигателя составляет 90°:

Фазовый сдвиг трёхфазного напряжения -120°, как следствие этого — магнитное поле будет не круговое , а пульсирующее и его уровень будет меньше чем при питании со сдвигом в 90°.

В некоторых конденсаторных двигателях дополнительная обмотка выполняется более тонким проводом и соответственно имеет более высокое сопротивление.

При работе без конденсатора это приведёт к:

• более сильному нагреву обмотки (срок службы сокращается, возможны кз и межвитковые замыкания)
• разному току в обмотках

Многие ПЧ имеют защиту от асимметрии токов в обмотках, при невозможности отключить эту функцию в приборе работа по данной схеме будет невозможна

Преимущества:

• более низкая стоимость по сравнению со специализированными ПЧ
• огромный выбор по мощности и производителям
• более широкий диапазон регулирования частоты
• все преимущества ПЧ (входы/выходы, интеллектуальные алгоритмы работы, коммуникационные интерфейсы)

Недостатки метода:

• необходимость предварительного подбора ПЧ и двигателя для совместной работы
• пульсирующий и пониженный момент
• повышенный нагрев
• отсутствие гарантии при выходе из строя, т.к. трёхфазные ПЧ не предназначены для работы с однофазными двигателями