Przetwornica częstotliwości do silnika elektrycznego
Techniczne aspekty stosowania przetwornic częstotliwości
Obecnie silnik indukcyjny stał się głównym urządzeniem w większości napędów elektrycznych. Coraz częściej do sterowania wykorzystywana jest przetwornica częstotliwości - falownik z regulacją PWM. Taka kontrola daje wiele korzyści, ale stwarza też pewne problemy przy wyborze pewnych rozwiązań technicznych. Spróbujmy zrozumieć je bardziej szczegółowo.
Urządzenie przetwornic częstotliwości
Opracowanie i produkcja szerokiej gamy wysokonapięciowych modułów tranzystorowych IGBT o dużej mocy umożliwiła wdrożenie wielofazowych przełączników mocy sterowanych bezpośrednio sygnałami cyfrowymi. Programowalne urządzenia obliczeniowe umożliwiły generowanie sekwencji numerycznych na wejściach przełączników, które dostarczały sygnały regulacja częstotliwości asynchronicznych silników elektrycznych… Rozwój i masowa produkcja mikrokontrolerów jednoukładowych z dużymi zasobami obliczeniowymi umożliwiły przejście na serwonapędy ze sterownikami cyfrowymi.
Przetwornice częstotliwości mocy z reguły są realizowane zgodnie ze schematem zawierającym prostownik oparty na mocnych diodach lub tranzystorach mocy oraz falownik (sterowany przełącznik) oparty na tranzystorach IGBT bocznikowanych przez diody (ryc. 1).
Ryż. 1. Obwód przetwornicy częstotliwości
Stopień wejściowy prostuje doprowadzone sinusoidalne napięcie sieciowe, które po wygładzeniu filtrem indukcyjno-pojemnościowym służy jako źródło zasilania sterowanego falownika generującego sygnał o modulacja impulsowa, który generuje prądy sinusoidalne w uzwojeniach stojana o parametrach zapewniających niezbędny tryb pracy silnika elektrycznego.
Cyfrowe sterowanie przetwornicą mocy odbywa się za pomocą sprzętu mikroprocesorowego i oprogramowania odpowiadającego wykonywanym zadaniom. Jednostka obliczeniowa generuje w czasie rzeczywistym sygnały sterujące dla 52 modułów, a także przetwarza sygnały z układów pomiarowych sterujących pracą napędu.
Zasilacze i komputery sterujące są połączone w konstrukcyjnie zaprojektowany produkt przemysłowy zwany przetwornicą częstotliwości.
Istnieją dwa główne typy przetwornic częstotliwości stosowanych w urządzeniach przemysłowych:
-
autorskie konwertery dla określonych typów sprzętu.
-
uniwersalne przetwornice częstotliwości przeznaczone są do wielofunkcyjnego sterowania pracą AM w trybach zdefiniowanych przez użytkownika.
Ustawianie i zarządzanie trybami pracy przetwornicy częstotliwości odbywa się za pomocą panelu sterującego wyposażonego w ekran, na którym prezentowane są wprowadzane informacje.Do prostej skalarnej regulacji częstotliwości można wykorzystać zestaw prostych funkcji logicznych dostępnych w ustawieniach fabrycznych regulatora oraz wbudowany regulator PID.
Aby zaimplementować bardziej złożone tryby sterowania z wykorzystaniem sygnałów z czujników sprzężenia zwrotnego, konieczne jest opracowanie struktury ACS i algorytmu do zaprogramowania za pomocą podłączonego zewnętrznego komputera.
Większość producentów produkuje szereg przetwornic częstotliwości różniących się charakterystyką elektryczną wejścia i wyjścia, mocą, konstrukcją i innymi parametrami. Dodatkowe elementy zewnętrzne można wykorzystać do podłączenia urządzeń zewnętrznych (sieć, silnik): rozruszniki magnetyczne, transformatory, dławiki.
Rodzaje sygnałów sterujących
Konieczne jest rozróżnienie różnych rodzajów sygnałów i użycie osobnego kabla dla każdego z nich. Różne rodzaje sygnałów mogą na siebie wpływać. W praktyce taka separacja jest powszechna, np. kabel od czujnik ciśnienia można podłączyć bezpośrednio do przetwornicy częstotliwości.
na ryc. 2 przedstawia zalecany sposób podłączenia przetwornicy częstotliwości w obecności różnych obwodów i sygnałów sterujących.
Ryż. 2. Przykład podłączenia obwodów mocy i obwodów sterowania przetwornicy częstotliwości
Można wyróżnić następujące rodzaje sygnałów:
-
analogowe – sygnały napięciowe lub prądowe (0…10 V, 0/4…20 mA), których wartość zmienia się powoli lub rzadko, zwykle są to sygnały sterujące lub pomiarowe;
-
dyskretne sygnały napięciowe lub prądowe (0…10 V, 0/4…20 mA), które mogą przyjąć tylko dwie rzadko zmieniające się wartości (wysokie lub niskie);
-
cyfrowe (dane) — sygnały napięciowe (0…5 V, 0…10 V), które zmieniają się szybko iz dużą częstotliwością, zwykle są to sygnały z portów RS232, RS485 itp.;
-
przekaźnik — styki przekaźnika (0…220 V AC) mogą zawierać prądy indukcyjne w zależności od podłączonego obciążenia (przekaźniki zewnętrzne, lampy, zawory, hamulce itp.).
Wybór mocy przetwornicy częstotliwości
Rzeczywiste urządzenia mają wiele aspektów, które mogą powodować wzrost obciążenia prądowego urządzenia, na przykład podczas uruchamiania. W zasadzie użycie przetwornicy częstotliwości umożliwia zmniejszenie prądu i obciążeń mechanicznych dzięki łagodnemu rozruchowi. Na przykład prąd rozruchowy jest zmniejszany z 600% do 100-150% prądu znamionowego.
Jedź ze zmniejszoną prędkością
Należy pamiętać, że chociaż przetwornica częstotliwości bez problemu zapewnia regulację prędkości 10:1, gdy silnik pracuje na niskich obrotach, to moc własnego wentylatora może nie być wystarczająca. Monitoruj temperaturę silnika i zapewnij wymuszoną wentylację.
Zgodność elektromagnetyczna
Jest zasilany z awaryjnego generatora
Miękki start, który zapewnia przetwornica częstotliwości, pozwala na zmniejszenie wymaganej mocy generatora. Ponieważ przy takim starcie prąd spada 4-6 razy, moc generatora można zmniejszyć podobną liczbę razy. Jednak między generatorem a przetwornicą musi być nadal zainstalowany stycznik, sterowany przez wyjście przekaźnikowe przetwornicy częstotliwości. Chroni to przetwornicę częstotliwości przed niebezpiecznymi przepięciami.
Zasilanie przetwornicy trójfazowej z sieci jednofazowej
Trójfazowe przetwornice częstotliwości mogą być zasilane z sieci jednofazowej, ale ich prąd wyjściowy nie może przekraczać 50% prądu znamionowego.
Oszczędzaj energię i pieniądze
Oszczędności wynikają z kilku powodów, po pierwsze ze wzrostu cosinus fi do wartości 0,98, tj. maksymalna moc jest wykorzystywana do wykonywania pożytecznej pracy, minimalna jest marnowana. Po drugie, współczynnik zbliżony do tego uzyskuje się we wszystkich trybach pracy silnika.
Bez przetwornicy częstotliwości silniki asynchroniczne przy niskim obciążeniu mają cosinus fi 0,3-0,4. Po trzecie, nie ma potrzeby dodatkowych regulacji mechanicznych (amortyzatory, przepustnice, zawory, hamulce itp.), wszystko odbywa się elektronicznie. Przy takim urządzeniu sterującym oszczędności mogą sięgać nawet 50%.
Synchronizuj wiele urządzeń
Ochrona sieci przed wyższymi harmonicznymi
Dla dodatkowego zabezpieczenia oprócz krótkich przewodów ekranowanych zastosowano dławiki sieciowe oraz kondensatory obejściowe. Przepustnicadodatkowo ogranicza prąd rozruchowy po włączeniu.
Wybór odpowiedniej klasy ochrony
Niezawodne odprowadzanie ciepła ma zasadnicze znaczenie dla płynnej pracy przetwornicy częstotliwości. W przypadku zastosowania wysokich stopni ochrony, na przykład IP 54 i wyższych, uzyskanie takiego odprowadzenia ciepła jest trudne lub kosztowne. W związku z tym istnieje możliwość zastosowania oddzielnej szafy o wysokim stopniu ochrony, w której można zainstalować moduły niższej klasy oraz przeprowadzić wentylację ogólną i chłodzenie.
Równoległe podłączenie silników elektrycznych do jednej przetwornicy częstotliwości
Aby obniżyć koszty, jedna przetwornica częstotliwości może służyć do sterowania kilkoma silnikami elektrycznymi. Jego moc należy dobrać z marginesem 10-15% całkowitej mocy wszystkich silników elektrycznych. W tym celu konieczne jest zminimalizowanie długości kabli silnikowych i wysoce pożądane jest zainstalowanie dławika silnikowego.
Większość przetwornic częstotliwości nie pozwala na wyłączanie lub podłączanie silników za pomocą styczników podczas pracy przetwornicy częstotliwości. Odbywa się to tylko za pomocą polecenia zatrzymania na urządzeniu.
Ustawienie funkcji sterowania
W celu uzyskania maksymalnych osiągów napędu elektrycznego, takich jak: współczynnik mocy, sprawność, przeciążalność, płynność regulacji, trwałość, niezbędny jest właściwy dobór stosunku zmiany częstotliwości pracy do napięcia wyjściowego częstotliwości. przetwornik.
Funkcja zmiany napięcia zależy od charakteru momentu obciążenia. Przy stałym momencie obrotowym napięcie stojana silnika musi być kontrolowane proporcjonalnie do częstotliwości (sterowanie skalarne U / F = const). Na przykład dla wentylatora innym stosunkiem jest U / F * F = const. Jeśli zwiększymy częstotliwość 2 razy, to napięcie powinno wzrosnąć o 4 (sterowanie wektorowe). Istnieją urządzenia z bardziej złożonymi funkcjami sterowania.
Zalety stosowania przemiennika częstotliwości z przetwornicą częstotliwości
Oprócz zwiększenia wydajności i oszczędności energii, taki napęd elektryczny pozwala uzyskać nowe właściwości jezdne. Znajduje to odzwierciedlenie w odrzucaniu dodatkowych urządzeń mechanicznych, które powodują straty i zmniejszają niezawodność układów: hamulców, amortyzatorów, przepustnic, zaworów, zaworów sterujących itp. Na przykład hamowanie można wykonać poprzez odwrócenie pola elektromagnetycznego w stojanie silnika. Zmieniając tylko funkcjonalną zależność między częstotliwością a napięciem, otrzymujemy inny napęd, nie zmieniając niczego w mechanice.
Czytanie dokumentacji
Należy zauważyć, że chociaż przetwornice częstotliwości są do siebie podobne, a opanowanie jednej z drugą jest łatwe, konieczne jest jednak uważne zapoznanie się z dokumentacją. Niektórzy producenci nakładają ograniczenia na użytkowanie swoich produktów, aw przypadku ich naruszenia wycofują produkt z gwarancji.
Możesz być zainteresowany: Zmienny napęd elektryczny jako sposób oszczędzania energii