Как выбрать преобразователь частоты для электродвигателя | НТЦ «Приводная Техника»

Преобразователь частоты позволяет регулировать скорость вращения электродвигателя, управлять моментом, обеспечивать плавный пуск и торможение, а также интегрировать привод в автоматизированную систему управления. Но для надежной работы оборудования недостаточно выбрать ПЧ только по мощности двигателя.

На практике необходимо учитывать ток двигателя, характер нагрузки, режим работы механизма, напряжение питания, требования к перегрузочной способности, диапазону регулирования скорости и способу управления.

Разберем, какие преобразователи частоты подходят для разных задач, как правильно подобрать частотник для двигателя и на какие параметры обратить внимание перед покупкой оборудования.

Что нужно знать перед выбором преобразователя частоты

Перед подбором ПЧ необходимо собрать исходные данные по электродвигателю и механизму, который он приводит в движение.

В первую очередь потребуются:

·       номинальная мощность электродвигателя;

·       номинальный ток;

·       напряжение питания;

·       частота;

·       номинальная скорость вращения;

·       коэффициент мощности;

·       режим эксплуатации;

·       тип нагрузки;

·       требуемый диапазон регулирования скорости;

·       условия окружающей среды.

Основные параметры двигателя можно найти на его заводской табличке или в технической документации.

При этом ключевым параметром при подборе преобразователя является не только мощность в киловаттах, но и номинальный ток электродвигателя.

Почему нельзя выбирать частотник только по мощности двигателя

Одна из распространенных ошибок — подбирать преобразователь исключительно по принципу:

двигатель 15 кВт — значит, нужен частотник 15 кВт.

В ряде стандартных применений такой подход может привести к правильному результату, однако для промышленного оборудования его недостаточно.

Двигатели одинаковой мощности могут иметь различный номинальный ток. Кроме того, требования к преобразователю существенно зависят от нагрузки.

Например, двигатель вентилятора и двигатель подъемного механизма одинаковой мощности работают в разных условиях.

Вентилятор обычно не требует большого пускового момента, тогда как крановый механизм может работать с высокой нагрузкой уже при запуске.

Поэтому при выборе ПЧ необходимо проверять, чтобы его допустимый выходной ток соответствовал параметрам двигателя и режиму работы механизма.

Шаг 1. Определить параметры электродвигателя

Перед тем как выбирать частотник для двигателя, необходимо посмотреть характеристики электродвигателя.

Наиболее важные из них:

Номинальная мощность

Указывается в киловаттах и дает первоначальное представление о необходимом классе преобразователя.

Однако окончательный выбор должен выполняться с учетом тока и типа нагрузки.

Номинальный ток

Один из важнейших параметров.

Номинальный выходной ток преобразователя должен быть не ниже тока двигателя с учетом требований конкретного режима эксплуатации.

Для тяжелых механизмов может потребоваться дополнительный запас по току.

Напряжение

Преобразователь и двигатель должны соответствовать используемому классу напряжения.

Например, если электродвигатель рассчитан на промышленную трехфазную сеть, ПЧ также выбирается под соответствующие параметры питания и двигателя.

Частота

Для большинства стандартных промышленных двигателей номинальная частота составляет 50 Гц, однако оборудование может иметь и другие параметры.

Преобразователь должен обеспечивать требуемый диапазон выходной частоты.

Шаг 2. Определить тип нагрузки

Чтобы понять, какие частотники подходят для конкретного оборудования, необходимо учитывать характер нагрузки.

Условно механизмы можно разделить на несколько основных групп.

Насосы и вентиляторы

Для центробежных насосов и вентиляторов характерна нагрузка, которая существенно зависит от скорости вращения.

Такие механизмы обычно:

·       не требуют большого пускового момента;

·       работают длительное время;

·       часто имеют переменную производительность;

·       хорошо подходят для энергосберегающего частотного регулирования.

Для них могут применяться общепромышленные преобразователи частоты с соответствующим функционалом управления насосами и вентиляторами.

Конвейеры

Для конвейера важны:

·       плавный запуск;

·       достаточный момент на малой скорости;

·       стабильное поддержание скорости;

·       способность работать с изменяющейся нагрузкой.

Для тяжелонагруженных конвейеров требуется учитывать повышенный пусковой момент и перегрузочную способность ПЧ.

Краны и подъемные механизмы

Крановый привод относится к более сложным применениям.

Для него могут быть важны:

·       высокий пусковой момент;

·       управление на низких скоростях;

·       быстрое изменение режима;

·       торможение;

·       удержание груза;

·       реверсивная работа;

·       высокая перегрузочная способность.

Обычный частотник, рассчитанный преимущественно на насосную нагрузку, для такого механизма может оказаться неподходящим.

Прокатные станы и металлургическое оборудование

Здесь предъявляются еще более высокие требования к регулируемому электроприводу.

Необходимо учитывать:

·       большие мощности;

·       динамические нагрузки;

·       частые разгоны и торможения;

·       точность регулирования;

·       синхронизацию нескольких приводов;

·       интеграцию с АСУ ТП;

·       требования к надежности и резервированию.

В подобных проектах преобразователь выбирается уже как элемент комплексной системы электропривода.

Дробилки, мельницы и тяжелые механизмы

Такие машины могут иметь значительный момент сопротивления при пуске.

Для них особенно важно правильно определить:

·       пусковой ток;

·       требуемый момент;

·       продолжительность перегрузки;

·       тепловой режим электродвигателя;

·       возможность заклинивания механизма.

Запас по мощности без анализа этих параметров не гарантирует правильного выбора ПЧ.

Шаг 3. Определить требуемую перегрузочную способность

Разные преобразователи рассчитаны на различные режимы перегрузки.

Например, механизм может кратковременно требовать ток, превышающий номинальный.

Это характерно для:

·       подъемных механизмов;

·       прессов;

·       конвейеров;

·       дробилок;

·       прокатных станов;

·       бурового оборудования.

При выборе необходимо учитывать не только величину допустимой перегрузки, но и ее продолжительность.

Если технологический механизм регулярно работает с повышенным моментом, это должно учитываться при расчете преобразователя.

Шаг 4. Определить необходимый диапазон регулирования скорости

Если двигатель должен работать в узком диапазоне скоростей, требования к системе управления сравнительно просты.

Но если необходимо поддерживать высокий момент практически с нулевой скорости или точно регулировать скорость в широком диапазоне, требуется более совершенный алгоритм управления.

Отсюда возникает следующий вопрос: какой преобразователь частоты выбрать — со скалярным или векторным управлением?

Скалярное или векторное управление

Скалярное управление

Подходит для многих стандартных механизмов, где высокая точность регулирования не требуется.

Типичные применения:

·       насосы;

·       вентиляторы;

·       некоторые конвейеры;

·       вспомогательные механизмы.

Преимуществами являются простота и достаточная эффективность для стандартных задач.

Векторное управление

Применяется там, где требуется более точное управление моментом и скоростью.

Например:

·       краны;

·       подъемники;

·       станки;

·       прокатные механизмы;

·       буровые установки;

·       высокодинамичные технологические линии.

Для ответственного промышленного оборудования векторное управление зачастую становится одним из основных требований к ПЧ.

Шаг 5. Учесть режим запуска и остановки

Необходимо заранее понимать, как должен запускаться и останавливаться механизм.

Преобразователь частоты позволяет задавать время разгона и торможения, однако реальные возможности системы зависят от инерции нагрузки.

Например, тяжелый маховик или крупный производственный механизм невозможно мгновенно остановить только программным уменьшением частоты.

При торможении двигатель может переходить в генераторный режим, возвращая энергию в звено постоянного тока преобразователя.

В зависимости от задачи могут потребоваться:

·       тормозной резистор;

·       тормозной модуль;

·       рекуперативное решение;

·       специальный алгоритм торможения.

Поэтому требования к остановке необходимо учитывать еще до выбора преобразователя.

Шаг 6. Учесть условия эксплуатации

Промышленный частотник может работать в значительно более тяжелых условиях, чем стандартное электрооборудование.

При подборе необходимо учитывать:

·       температуру окружающей среды;

·       влажность;

·       наличие пыли;

·       вибрацию;

·       высоту над уровнем моря;

·       агрессивность среды;

·       качество вентиляции помещения.

При повышенной температуре или установке на большой высоте допустимая мощность оборудования может снижаться, поэтому необходимо учитывать рекомендации производителя по дерейтингу.

Где будет установлен частотник

Преобразователи частоты могут устанавливаться:

·       внутри электротехнических шкафов;

·       в распределительных помещениях;

·       непосредственно рядом с технологическим оборудованием;

·       в контейнерных и модульных электроустановках.

От места установки зависит необходимая степень защиты оборудования.

Если преобразователь размещается внутри чистого шкафа управления, требования могут быть одними. Для установки непосредственно в производственном помещении — другими.

Шаг 7. Проверить длину кабеля между ПЧ и двигателем

Расстояние между преобразователем и электродвигателем также имеет значение.

При большой длине моторного кабеля могут возникать:

·       повышенные перенапряжения;

·       дополнительные высокочастотные токи;

·       электромагнитные помехи;

·       повышенная нагрузка на изоляцию двигателя.

В зависимости от длины линии и характеристик двигателя могут потребоваться дополнительные технические решения, например выходные дроссели или фильтры.

Особенно важен этот вопрос для крупных промышленных объектов, где преобразователь и механизм могут находиться на значительном расстоянии друг от друга.

Шаг 8. Учесть необходимость торможения

Если оборудование имеет большую инерцию либо требуется быстрое торможение, стандартного преобразователя может быть недостаточно без дополнительного оборудования.

В зависимости от режима используются:

·       тормозные резисторы;

·       тормозные прерыватели;

·       активные выпрямители;

·       рекуперативные преобразователи.

Выбор зависит от количества энергии, которую двигатель возвращает во время торможения, и от частоты таких режимов.

Шаг 9. Определить требования к автоматизации

На современном предприятии ПЧ часто является элементом АСУ ТП.

Поэтому при выборе необходимо заранее определить, каким образом преобразователь будет взаимодействовать с системой управления.

Могут использоваться:

·       дискретные сигналы;

·       аналоговые входы и выходы;

·       промышленные интерфейсы и сети;

·       удаленное управление;

·       передача диагностической информации.

Через систему автоматизации можно передавать команды:

·       пуск;

·       останов;

·       реверс;

·       задание скорости;

·       сброс аварии.

В обратном направлении ПЧ может передавать данные о:

·       текущей частоте;

·       токе;

·       напряжении;

·       мощности;

·       состоянии привода;

·       предупреждениях;

·       авариях.

Для крупного промышленного объекта совместимость преобразователя с существующей АСУ ТП должна рассматриваться еще на этапе проектирования.

Шаг 10. Определить необходимые защитные функции

Современные преобразователи могут обеспечивать комплексную диагностику работы электропривода.

В зависимости от исполнения могут контролироваться:

·       перегрузка;

·       превышение тока;

·       повышение или снижение напряжения;

·       перегрев;

·       потеря фазы;

·       короткое замыкание;

·       обрыв нагрузки;

·       неисправности самого преобразователя.

Однако ПЧ не отменяет необходимости правильного проектирования всей системы электроснабжения и защиты.

Автоматические выключатели, предохранители, заземление, аппаратура коммутации и другие элементы должны подбираться как единый комплекс.

Нужно ли брать преобразователь с запасом мощности

Нередко можно услышать рекомендацию выбирать частотник «на один типоразмер больше».

Такой подход нельзя считать универсальным.

Запас действительно может потребоваться, если:

·       механизм имеет тяжелый пуск;

·       возникают длительные перегрузки;

·       температура окружающей среды выше расчетной;

·       используется нестандартный режим эксплуатации;

·       ток двигателя близок к максимальному выходному току преобразователя.

Однако чрезмерный запас увеличивает стоимость оборудования и не всегда дает практические преимущества.

Правильнее выбирать ПЧ по расчетным характеристикам конкретного электропривода.

Выбор ПЧ для одного и нескольких двигателей

Один преобразователь чаще всего управляет одним двигателем, но существуют системы, в которых к одному ПЧ подключается несколько электродвигателей.

В таком случае необходимо учитывать суммарный ток всех двигателей и особенности их защиты.

Также возникают ограничения по индивидуальному регулированию каждого двигателя.

Если технологический процесс требует независимого изменения скорости механизмов, обычно целесообразно использовать отдельный преобразователь для каждого привода.

Частотник для двигателя с обратной связью

Для стандартных применений ПЧ может управлять электродвигателем без датчика скорости.

Но если требуется высокая точность регулирования, может использоваться обратная связь от энкодера или другого датчика.

Такое решение востребовано:

·       в подъемных механизмах;

·       на прокатных станах;

·       в станочных приводах;

·       в синхронизированных технологических линиях;

·       в оборудовании, требующем точного позиционирования.

Необходимость обратной связи следует определить до выбора конкретного исполнения преобразователя.

Какие преобразователи частоты бывают

Если говорить о промышленном применении, преобразователи частоты можно классифицировать по нескольким характеристикам.

По напряжению

Выделяют:

·       низковольтные;

·       преобразователи среднего и высокого напряжения.

Выбор зависит прежде всего от параметров электродвигателя и системы электроснабжения.

По назначению

Существуют:

·       общепромышленные ПЧ;

·       насосные;

·       вентиляторные;

·       крановые;

·       специализированные преобразователи для тяжелых механизмов.

На практике границы между этими категориями могут различаться у разных производителей.

По алгоритму управления

Основные варианты:

·       скалярное управление;

·       бездатчиковое векторное управление;

·       векторное управление с обратной связью.

По конструкции

Преобразователь может быть:

·       компактным;

·       шкафного исполнения;

·       модульным.

Для мощных промышленных электроприводов модульная архитектура может обеспечивать удобство масштабирования, обслуживания и резервирования отдельных компонентов.

Какой частотник выбрать для насоса

Для насоса обычно необходимо учитывать:

·       мощность и ток двигателя;

·       требуемый диапазон производительности;

·       давление;

·       режим работы;

·       наличие датчика давления;

·       необходимость ПИД-регулирования;

·       количество насосов.

ПЧ может автоматически изменять скорость двигателя для поддержания заданного давления.

Такие системы особенно востребованы в водоснабжении, ЖКХ и на промышленных насосных станциях.

Какой частотник выбрать для вентилятора

При выборе ПЧ для вентилятора учитываются:

·       мощность двигателя;

·       производительность;

·       давление;

·       диапазон регулирования;

·       параметры вентиляционной установки.

Частотное регулирование позволяет менять производительность без постоянной работы вентилятора на максимальной скорости.

Как выбрать частотник для конвейера

Здесь необходимо учитывать:

·       массу перемещаемого материала;

·       длину конвейера;

·       угол подъема;

·       момент запуска;

·       количество приводов;

·       необходимость синхронизации.

Для тяжелого конвейера требования к ПЧ могут существенно превышать требования к преобразователю для вентилятора такой же мощности.

Как выбрать частотник для крана

Для кранового оборудования важны:

·       высокий пусковой момент;

·       перегрузочная способность;

·       работа на низких скоростях;

·       управление механическим тормозом;

·       реверс;

·       быстрое торможение;

·       точность управления.

Поэтому выбор кранового ПЧ необходимо выполнять с учетом конкретного механизма: подъема, передвижения тележки или перемещения моста.

Типичные ошибки при выборе ПЧ

При подборе оборудования чаще всего встречаются следующие ошибки.

Выбор только по киловаттам

Не учитывается реальный ток двигателя и характер нагрузки.

Отсутствие запаса по перегрузке

Преобразователь нормально работает без нагрузки, но при запуске механизма уходит в аварию.

Неправильно выбран алгоритм управления

Простой ПЧ устанавливается на механизм, которому требуется высокий момент на низкой скорости.

Не учтено торможение

После установки выясняется, что оборудование невозможно остановить за требуемое время без тормозного оборудования.

Не учтены условия установки

ПЧ перегревается из-за высокой температуры или недостаточной вентиляции шкафа.

Не проверена интеграция с АСУ ТП

После поставки оборудования возникают сложности с подключением к существующей системе автоматизации.

Не учтена длина моторного кабеля

Большое расстояние между ПЧ и двигателем приводит к необходимости установки дополнительного оборудования.

Что сообщить поставщику перед заказом

Если необходимо купить частотник для электродвигателя, для корректного подбора желательно передать специалисту следующую информацию:

·       тип и назначение механизма;

·       мощность двигателя;

·       номинальный ток двигателя;

·       напряжение;

·       номинальную скорость;

·       режим работы;

·       требуемый диапазон регулирования;

·       характер нагрузки;

·       требования к разгону и торможению;

·       условия установки;

·       длину кабеля до двигателя;

·       требования к интерфейсам связи;

·       необходимость работы с АСУ ТП.

Для сложного промышленного объекта дополнительно могут потребоваться нагрузочные диаграммы и подробные данные технологического процесса.

Частотник или комплексный электропривод

Для небольшого вентилятора или насоса задача часто действительно сводится к подбору одного преобразователя.

Но для крупных промышленных механизмов правильнее говорить уже о проектировании системы регулируемого электропривода.

Она может включать:

·       преобразователь частоты;

·       электродвигатель;

·       шкаф управления;

·       коммутационное оборудование;

·       входные и выходные фильтры;

·       тормозное оборудование;

·       контроллер;

·       датчики;

·       программное обеспечение;

·       средства связи с АСУ ТП.

Именно комплексный подход позволяет обеспечить требуемые динамические характеристики, надежность и безопасность эксплуатации.

Как правильно выбрать преобразователь частоты

Универсального ответа на вопрос, какие преобразователи частоты лучше, не существует. Выбор зависит от конкретного электродвигателя и технологического механизма.

Для корректного подбора необходимо последовательно определить:

1.     параметры двигателя;

2.     характер нагрузки;

3.     рабочий ток;

4.     необходимую перегрузочную способность;

5.     диапазон регулирования скорости;

6.     алгоритм управления;

7.     режим разгона и торможения;

8.     условия эксплуатации;

9.     требования к автоматизации;

10. дополнительное оборудование.

Для стандартного насоса или вентилятора подбор может быть сравнительно простым. Для крана, прокатного стана, буровой установки или другого мощного промышленного оборудования необходим полноценный инженерный расчет.