Преобразователь частоты: что это, как работает и где применяется | НТЦ «Приводная Техника»

Современное промышленное оборудование невозможно представить без регулируемого электропривода. Насосы, вентиляторы, конвейеры, краны, прокатные станы, буровые установки и другие механизмы должны работать с разной скоростью, плавно запускаться и адаптироваться к изменяющейся нагрузке. Для решения этих задач применяются преобразователи частоты.

Преобразователь частоты, или ПЧ, — это электронное устройство, которое изменяет частоту и величину напряжения, подаваемого на электродвигатель. За счет этого можно регулировать частоту вращения двигателя, управлять его моментом, обеспечивать плавный пуск и оптимизировать энергопотребление оборудования.

В промышленности также широко используется более короткое название — частотник.

Что такое преобразователь частоты

Большинство промышленных электродвигателей подключаются к сети переменного тока с фиксированной частотой. При прямом подключении асинхронный двигатель вращается примерно с одной заданной скоростью, зависящей от частоты сети и количества пар полюсов двигателя.

Однако технологическому оборудованию далеко не всегда требуется постоянная скорость.

Например:

• насосной станции необходимо менять производительность в зависимости от расхода воды;
• вентилятору — регулировать воздушный поток;
• конвейеру — менять скорость движения;
• крановому механизму — обеспечивать плавный разгон и точное торможение;
• прокатному стану — поддерживать заданную скорость и момент;
• буровой установке — управлять приводами при существенно изменяющейся нагрузке.

Именно здесь используется преобразователь частоты ПЧ. Он формирует для электродвигателя питание с необходимыми параметрами и позволяет управлять его работой в соответствии с требованиями технологического процесса.

Таким образом, частотный преобразователь становится связующим звеном между электросетью, системой автоматизации и электрическим двигателем.

Как работает преобразователь частоты

В упрощенном виде работа преобразователя частоты состоит из нескольких этапов.

Сначала входное переменное напряжение преобразуется в постоянное. Затем оно сглаживается в звене постоянного тока, после чего силовая электронная часть устройства снова формирует переменное напряжение, но уже с требуемой частотой и амплитудой.

Типовая структура ПЧ включает:

1. Выпрямитель. Преобразует входное переменное напряжение в постоянное.
2. Звено постоянного тока. Сглаживает напряжение и обеспечивает необходимый запас энергии для дальнейшего преобразования.
3. Инвертор. Формирует выходное переменное напряжение требуемой частоты.
4. Систему управления. Контролирует работу силовых ключей и реализует алгоритмы управления электродвигателем.

Современные преобразователи частоты работают на основе силовых полупроводниковых элементов. Система управления быстро переключает их в заданной последовательности, формируя на выходе напряжение, необходимое для управления электродвигателем.

Изменяя частоту выходного напряжения, ПЧ изменяет скорость вращения двигателя. Одновременно регулируются и другие параметры, необходимые для сохранения требуемого магнитного потока и момента.

Зачем изменять частоту питания двигателя

Частота переменного тока непосредственно связана со скоростью вращения магнитного поля электродвигателя.

Поэтому, если необходимо снизить скорость двигателя, преобразователь уменьшает выходную частоту. Если скорость необходимо повысить — увеличивает ее в допустимом диапазоне.

Но современный частотник выполняет гораздо больше функций, чем простое изменение скорости.

С его помощью можно:

• плавно запускать двигатель;
• регулировать частоту вращения;
• управлять моментом;
• ограничивать пусковые токи;
• плавно останавливать механизм;
• поддерживать технологический параметр;
• реализовывать реверс;
• защищать электродвигатель;
• обмениваться данными с системой АСУ ТП;
• диагностировать состояние электропривода.

Поэтому ПЧ фактически становится полноценным элементом системы автоматизированного электропривода.

Что происходит при запуске двигателя без ПЧ

При прямом включении мощного асинхронного двигателя в сеть возникает значительный пусковой ток. Он может в несколько раз превышать номинальный.

Одновременно механизм практически сразу начинает разгоняться, что создает механическую нагрузку на:

• редукторы;
• муфты;
• ременные передачи;
• подшипники;
• валы;
• трубопроводы;
• другие элементы оборудования.

Для мощного промышленного оборудования такие режимы особенно нежелательны.

Преобразователь частоты позволяет постепенно увеличивать частоту и напряжение, обеспечивая управляемый разгон двигателя.

В результате уменьшается воздействие как на электрическую сеть, так и на механическую часть оборудования.

Основные способы управления электродвигателем

Современные преобразователи частоты могут использовать разные алгоритмы управления.

Скалярное управление

Один из наиболее распространенных вариантов. В основе лежит поддержание определенного соотношения напряжения и частоты.

Такой способ хорошо подходит для механизмов, где не требуется очень высокая точность регулирования момента.

Например:

• вентиляторов;
• насосов;
• части конвейерного оборудования.

Преимущества скалярного управления — относительная простота настройки и надежность.

Векторное управление

Используется в системах, где необходимо более точно контролировать скорость и момент электродвигателя.

Векторное управление востребовано для:

• крановых механизмов;
• прокатных станов;
• буровых установок;
• подъемных механизмов;
• технологических линий;
• оборудования с динамически изменяющейся нагрузкой.

Такой алгоритм позволяет получить высокие динамические характеристики электропривода и точнее управлять моментом двигателя.

Какие функции выполняет частотник

Функциональность конкретного ПЧ зависит от серии, мощности и назначения оборудования.

К наиболее распространенным функциям относятся:

Плавный разгон и торможение.
Можно задавать время выхода двигателя на требуемую скорость и продолжительность остановки.

Регулирование скорости.
Частота вращения может изменяться вручную или автоматически по команде системы управления.

Реверс двигателя.
Изменение направления вращения выполняется средствами преобразователя.

Ограничение тока и момента.
Позволяет снижать вероятность перегрузки двигателя и механизма.

Поддержание технологического параметра.
Например, давления, расхода, уровня или температуры.

Диагностика.
Преобразователь может контролировать ток, напряжение, частоту, температуру и ряд других параметров.

Защита оборудования.
В зависимости от конструкции ПЧ могут использоваться функции защиты от перегрузки, перегрева, перенапряжения, снижения напряжения, короткого замыкания и других аварийных режимов.

Связь с АСУ ТП.
Промышленные ПЧ могут интегрироваться в автоматизированные системы управления технологическими процессами.

Где применяются преобразователи частоты

Область применения частотно-регулируемого электропривода чрезвычайно широка.

Насосные станции

Преобразователь позволяет изменять скорость вращения насосного двигателя в зависимости от текущего расхода и давления.

Это дает возможность отказаться от постоянной работы двигателя на максимальной мощности с регулированием потока задвижками.

ПЧ применяются на:

• насосных станциях водоснабжения;
• канализационных насосных станциях;
• промышленных насосных агрегатах;
• системах охлаждения;
• станциях пожаротушения.

Вентиляционные системы

Вентилятор зачастую не должен постоянно работать с максимальной производительностью.

Частотное регулирование позволяет автоматически изменять его скорость в зависимости от требуемого объема воздуха, давления или других параметров.

Конвейеры

Для конвейерных систем ПЧ обеспечивает:

• плавный запуск;
• изменение скорости транспортирования;
• синхронизацию нескольких механизмов;
• уменьшение динамических нагрузок.

Особенно это важно для длинных и тяжелонагруженных конвейеров.

Крановые механизмы

Крановый электропривод предъявляет повышенные требования к динамике и точности управления.

Преобразователи частоты применяются в приводах:

• подъема;
• передвижения крана;
• перемещения тележки;
• вспомогательных механизмов.

Частотное управление позволяет обеспечить плавность движения и повысить точность позиционирования груза.

Металлургическое оборудование

ПЧ широко используются на металлургических предприятиях.

Они могут входить в состав электроприводов:

• прокатных станов;
• рольгангов;
• моталок;
• разматывателей;
• транспортных механизмов;
• мельниц;
• подъемного оборудования.

Здесь особенно важны высокая перегрузочная способность, динамика и интеграция привода с АСУ ТП.

Буровые установки

Современная буровая установка содержит большое количество электрических приводов.

Частотное регулирование может использоваться для:

• лебедок;
• насосных агрегатов;
• систем верхнего привода;
• вспомогательных механизмов.

Параметры электропривода при этом автоматически изменяются в соответствии с режимом работы оборудования.

Станочное и производственное оборудование

ПЧ применяются для управления приводами станков, технологических линий, смесителей, дробилок, экструдеров и другого промышленного оборудования.

Преобразователи частоты высокой мощности

Преобразователи частоты различаются не только по алгоритмам управления, но и по мощности.

Небольшой частотник может использоваться для сравнительно маломощного насоса или вентилятора. На крупном промышленном предприятии мощность регулируемого электропривода может измеряться сотнями киловатт и мегаваттами.

При увеличении мощности возрастают требования к:

• силовой части преобразователя;
• системе охлаждения;
• качеству электроэнергии;
• электромагнитной совместимости;
• перегрузочной способности;
• резервированию;
• системе управления;
• диагностике.

Для мощных производственных механизмов применяются специализированные промышленные преобразователи частоты.

Низковольтные и высоковольтные преобразователи частоты

По классу напряжения ПЧ можно условно разделить на низковольтные и высоковольтные.

Низковольтные преобразователи частоты широко используются в промышленных электроприводах, подключаемых к низковольтным сетям.

Высоковольтные преобразователи применяются для управления мощными двигателями среднего и высокого напряжения.

Выбор конкретного варианта зависит от:

• мощности двигателя;
• напряжения электросети;
• назначения механизма;
• характера нагрузки;
• требований технологического процесса.

Как ПЧ помогает снизить энергопотребление

Одно из важных преимуществ частотного регулирования особенно хорошо проявляется на насосах и вентиляторах.

Если производительность оборудования требуется уменьшить, нет необходимости постоянно держать двигатель на номинальной скорости.

Преобразователь снижает частоту вращения, вследствие чего уменьшается потребляемая мощность.

На объектах, где оборудование длительное время работает с переменной нагрузкой, применение частотно-регулируемого электропривода может существенно уменьшить расход электроэнергии.

Фактический эффект зависит от:

• графика нагрузки;
• мощности двигателя;
• характеристик механизма;
• существующего способа регулирования;
• времени работы оборудования.

Поэтому экономический эффект необходимо рассчитывать для конкретного объекта.

Преимущества использования преобразователей частоты

Внедрение ПЧ позволяет решать одновременно технологические и энергетические задачи.

К основным преимуществам относятся:

• точное регулирование скорости электродвигателя;
• плавный запуск и остановка;
• уменьшение пусковых токов;
• снижение механических нагрузок;
• возможность автоматического управления приводом;
• повышение качества технологического процесса;
• экономия электроэнергии для ряда механизмов;
• расширенная диагностика;
• интеграция в АСУ ТП;
• возможность реализации сложных алгоритмов управления.

На практике максимальный эффект дает не отдельный частотник, а правильно спроектированная система регулируемого электропривода.

Чем преобразователь частоты отличается от устройства плавного пуска

ПЧ и устройство плавного пуска решают разные задачи.

Устройство плавного пуска главным образом предназначено для контролируемого запуска и, в зависимости от исполнения, остановки двигателя. После разгона двигатель обычно продолжает работать с частотой сети.

Преобразователь частоты позволяет регулировать скорость электродвигателя в процессе всей работы.

Поэтому, если требуется только уменьшить пусковые токи, может быть достаточно устройства плавного пуска.

Если же необходимо постоянно изменять скорость, поддерживать момент, давление, расход или другой технологический параметр, применяется преобразователь частоты.

Как выбрать преобразователь частоты

Нельзя выбирать ПЧ только по указанной мощности двигателя.

При проектировании системы необходимо учитывать совокупность параметров.

Среди них:

• номинальная мощность двигателя;
• номинальный и максимальный ток;
• напряжение питания;
• характер нагрузки;
• диапазон регулирования скорости;
• требуемый пусковой момент;
• возможные перегрузки;
• необходимость торможения;
• условия окружающей среды;
• способ охлаждения;
• степень защиты;
• требования по резервированию;
• интерфейсы связи;
• особенности интеграции с АСУ ТП.

Особенно тщательно выполняется подбор преобразователей для металлургического, кранового, бурового и другого тяжелонагруженного оборудования.

Преобразователь частоты как часть промышленной автоматизации

Современный ПЧ редко работает полностью автономно.

На промышленном предприятии преобразователь может обмениваться данными с:

• программируемым логическим контроллером;
• системой АСУ ТП;
• SCADA-системой;
• операторской панелью;
• датчиками технологических параметров;
• другими электроприводами.

Например, датчик измеряет давление в трубопроводе и передает значение системе управления. Контроллер сравнивает фактическое давление с заданным и отправляет преобразователю команду изменить скорость насоса.

ПЧ корректирует частоту вращения электродвигателя, а давление возвращается к требуемому значению.

Таким образом создается замкнутая автоматическая система регулирования.

Преобразователи частоты в современных промышленных системах

По мере развития промышленной автоматизации требования к электроприводу постоянно растут.

Современные преобразователи частоты — это уже не только силовые устройства для изменения частоты напряжения. Они становятся интеллектуальными компонентами АСУ ТП, обеспечивающими регулирование электродвигателя, диагностику, защиту и информационный обмен с другими элементами системы.

Грамотно подобранный преобразователь частоты ПЧ позволяет повысить управляемость оборудования, снизить динамические нагрузки и оптимизировать технологический процесс.

Для простых механизмов может быть достаточно стандартного частотника. Для мощных прокатных станов, кранов, буровых установок и других ответственных объектов требуется комплексный подход: расчет электропривода, выбор преобразовательного оборудования, разработка системы управления и последующая пусконаладка.

Именно поэтому при реализации промышленных проектов важно рассматривать преобразователь частоты не изолированно, а как часть единой системы автоматизированного электропривода.