Преобразователь частоты для трехфазного электродвигателя | НТЦ «Приводная Техника»

Трехфазные асинхронные электродвигатели широко применяются в промышленности: в насосах, вентиляторах, конвейерах, станках, кранах, компрессорах, металлургическом и другом технологическом оборудовании. Если требуется плавно запускать двигатель, регулировать скорость его вращения или управлять моментом, используют преобразователь частоты.

Частотник для трехфазного электродвигателя позволяет изменять частоту и напряжение питания двигателя, благодаря чему становится возможным управлять скоростью его вращения без сложной механической регулировки.

При этом правильный выбор ПЧ зависит не только от мощности двигателя. Необходимо учитывать номинальный ток, напряжение, тип нагрузки, режим работы, условия эксплуатации и требования к системе управления.

Разберем, как работает трехфазный частотник, как его подобрать и какие особенности нужно учитывать при подключении.

Что такое преобразователь частоты для трехфазного двигателя

Преобразователь частоты — это электронное устройство, которое преобразует параметры питающего напряжения и формирует на выходе трехфазное напряжение с регулируемой частотой.

Такой преобразователь частоты 3ф устанавливается между электрической сетью и электродвигателем.

Упрощенно схема выглядит так:

электросеть → преобразователь частоты → трехфазный электродвигатель

ПЧ получает питание от сети, преобразует электрическую энергию и формирует для двигателя напряжение с требуемыми параметрами.

Изменяя выходную частоту, можно изменять частоту вращения двигателя.

Например, двигатель может работать:

·       на номинальной скорости;

·       на пониженной скорости;

·       с плавным разгоном;

·       с плавным торможением;

·       с автоматическим изменением оборотов по сигналу от системы управления.

Зачем трехфазному электродвигателю частотник

При прямом подключении трехфазного двигателя к сети его возможности управления ограничены.

Двигатель обычно запускается достаточно резко и быстро выходит на скорость, соответствующую частоте сети и конструкции самого двигателя.

Это может создавать:

·       высокие пусковые токи;

·       механические нагрузки на привод;

·       ударные нагрузки на редукторы и муфты;

·       гидравлические удары в насосных системах;

·       повышенный износ оборудования.

Использование частотного преобразователя позволяет сделать работу электропривода управляемой.

ПЧ может обеспечивать:

·       плавный пуск;

·       регулирование скорости;

·       плавную остановку;

·       реверс;

·       поддержание заданного технологического параметра;

·       ограничение тока;

·       управление моментом;

·       диагностику привода;

·       взаимодействие с АСУ ТП.

Поэтому частотник применяется не только как средство запуска двигателя, но и как полноценный элемент автоматизированного электропривода.

Как работает трехфазный частотник

Принцип работы ПЧ можно условно разделить на три основных этапа.

1. Выпрямление напряжения

Сначала входное переменное напряжение поступает на выпрямитель.

После этого переменный ток преобразуется в постоянный.

2. Формирование звена постоянного тока

Полученное напряжение сглаживается в промежуточном звене.

В конструкции преобразователя для этого используются соответствующие электрические компоненты.

3. Формирование трехфазного выходного напряжения

Далее инверторная часть ПЧ формирует новое переменное напряжение.

При этом система управления может изменять:

·       выходную частоту;

·       напряжение;

·       последовательность фаз;

·       параметры управления двигателем.

В результате на выходе преобразователя формируется питание, необходимое для заданного режима работы электродвигателя.

Как частота влияет на скорость электродвигателя

Скорость вращения магнитного поля асинхронного двигателя зависит от частоты питающего напряжения и числа пар полюсов.

Поэтому при изменении частоты изменяется и скорость вращения двигателя.

Если преобразователь уменьшает выходную частоту, двигатель вращается медленнее.

Если частота увеличивается — скорость возрастает в пределах допустимых для двигателя и механизма значений.

Однако реальная скорость ротора также зависит от скольжения, нагрузки и выбранного алгоритма управления.

Именно поэтому современный ПЧ не просто изменяет частоту, а управляет электродвигателем с учетом нескольких электрических параметров.

Как выбрать частотник для трехфазного электродвигателя

При подборе преобразователя необходимо учитывать характеристики как двигателя, так и самого механизма.

Основные данные обычно берут с заводской таблички электродвигателя и из проектной документации.

В первую очередь нужно определить:

·       мощность;

·       номинальный ток;

·       напряжение;

·       номинальную частоту;

·       скорость вращения;

·       тип нагрузки;

·       режим эксплуатации;

·       необходимый диапазон регулирования скорости.

Мощность двигателя

Мощность электродвигателя указывается в киловаттах.

Например:

·       5,5 кВт;

·       11 кВт;

·       15 кВт;

·       30 кВт;

·       75 кВт;

·       160 кВт.

По мощности можно определить приблизительный типоразмер преобразователя.

Но выбирать ПЧ только по этому параметру неправильно.

Двигатели одинаковой мощности могут иметь разные значения номинального тока, а разные механизмы предъявляют разные требования к перегрузке.

Номинальный ток двигателя

Один из ключевых параметров выбора — ток.

Выходной номинальный ток преобразователя должен соответствовать току электродвигателя и предусмотренному режиму работы.

Например, если двигатель потребляет ток, близкий к максимально допустимому току ПЧ, при тяжелых нагрузках преобразователь может уходить в перегрузку.

Поэтому для ответственных механизмов анализируют:

·       номинальный ток;

·       максимальный ток;

·       длительность перегрузки;

·       частоту возникновения перегрузочных режимов.

Напряжение двигателя

Преобразователь должен соответствовать классу напряжения электродвигателя.

Для промышленного оборудования широко используются трехфазные двигатели, рассчитанные на низковольтные сети.

Для мощных производственных механизмов могут применяться также двигатели среднего и высокого напряжения.

Соответственно, различаются и используемые преобразователи частоты.

Схема соединения обмоток двигателя

Перед подключением необходимо проверить табличку двигателя.

На ней могут быть указаны варианты подключения обмоток, например:

·       звезда;

·       треугольник.

Выбор схемы зависит от номинального напряжения двигателя и выходного напряжения преобразователя.

Ошибочное соединение обмоток может привести к неправильной работе двигателя и повышенной нагрузке на электрооборудование.

Поэтому схема подключения должна соответствовать паспортным данным конкретного двигателя.

Тип нагрузки

Одной из важнейших характеристик при выборе ПЧ является характер нагрузки.

Насос или вентилятор

Для центробежного насоса или вентилятора нагрузка обычно сравнительно плавная.

Такие механизмы хорошо подходят для частотного регулирования.

При снижении скорости можно уменьшить производительность и в ряде режимов снизить энергопотребление.

Конвейер

Конвейеру может потребоваться высокий момент при запуске, особенно если он запускается под нагрузкой.

Поэтому необходимо учитывать перегрузочную способность преобразователя.

Дробилка или мельница

Для тяжелонагруженного оборудования возможны значительные пусковые и рабочие нагрузки.

ПЧ должен иметь соответствующий запас по току и моменту.

Крановый привод

Для крана требования еще выше.

Могут потребоваться:

·       высокий пусковой момент;

·       точное управление скоростью;

·       реверс;

·       работа на малых оборотах;

·       управление механическим тормозом;

·       быстрое торможение.

Для таких механизмов используются преобразователи и алгоритмы управления, рассчитанные на тяжелый режим.

Какой запас по мощности нужен

Распространенная рекомендация — брать преобразователь на один типоразмер мощнее двигателя.

Но универсальным правилом это не является.

Необходимость запаса зависит от:

·       режима работы;

·       характера нагрузки;

·       перегрузок;

·       температуры окружающей среды;

·       высоты установки;

·       частоты запусков;

·       особенностей торможения.

Например, для вентилятора запас может быть минимальным при условии соответствия по току.

Для тяжелого конвейера, крана или дробилки может потребоваться более производительный ПЧ.

Поэтому правильнее выбирать преобразователь не по формальному запасу мощности, а по расчетным характеристикам электропривода.

Скалярное управление

Простейший распространенный вариант управления — скалярный.

Преобразователь поддерживает определенное соотношение частоты и напряжения.

Такой способ подходит для многих стандартных задач:

·       насосов;

·       вентиляторов;

·       части конвейерного оборудования;

·       вспомогательных механизмов.

Его преимущества — сравнительно простая настройка и достаточная эффективность для механизмов, не требующих высокой точности регулирования момента.

Векторное управление

Если электропривод должен точно контролировать момент и скорость, используется векторное управление.

Оно применяется:

·       в кранах;

·       на прокатных станах;

·       в подъемных механизмах;

·       на станочном оборудовании;

·       в буровых установках;

·       в высокодинамичных технологических механизмах.

Векторное управление позволяет значительно точнее контролировать работу двигателя, особенно на низких скоростях.

Как подключается частотник к трехфазному двигателю

Типовая схема подключения содержит две основные силовые части:

1.     подключение ПЧ к питающей сети;

2.     подключение двигателя к выходу ПЧ.

На вход преобразователя подается питание требуемого напряжения.

К выходным силовым клеммам подключается трехфазный электродвигатель.

При этом конкретные обозначения клемм и схема соединения зависят от производителя и модели оборудования.

Подключение необходимо выполнять строго по документации на конкретный преобразователь.

Можно ли подключать двигатель напрямую к выходу ПЧ

В стандартной схеме трехфазный двигатель подключается непосредственно к выходу преобразователя через моторный кабель.

Однако между ПЧ и двигателем могут использоваться дополнительные устройства.

Например:

·       выходной дроссель;

·       фильтр;

·       коммутационное оборудование;

·       датчики;

·       средства контроля.

Необходимость дополнительного оборудования зависит от длины моторного кабеля, мощности, параметров двигателя и требований проекта.

Почему нельзя устанавливать обычный контактор между ПЧ и двигателем без учета режима работы

Коммутация выходной цепи преобразователя требует особого внимания.

Если разрывать цепь между работающим ПЧ и двигателем без предусмотренного алгоритма, это может привести к аварийным режимам или повреждению оборудования.

Поэтому контакторы в выходной цепи используются только тогда, когда это предусмотрено проектом и алгоритмом управления.

Обычный пуск и останов двигателя должны выполняться командами самого преобразователя.

Заземление преобразователя и двигателя

Правильное защитное заземление является обязательной частью монтажа.

Заземляются:

·       корпус ПЧ;

·       корпус электродвигателя;

·       электротехнический шкаф;

·       другие металлические элементы в соответствии с проектом.

Кроме требований электробезопасности, качественное заземление важно для электромагнитной совместимости оборудования.

Как выбрать кабель между частотником и двигателем

Кабель подбирается с учетом:

·       рабочего тока;

·       длины линии;

·       способа прокладки;

·       требований по электромагнитной совместимости;

·       условий эксплуатации.

Для частотно-регулируемого электропривода могут использоваться специальные экранированные моторные кабели.

Особое внимание необходимо уделять правильному подключению экрана и заземлению.

Длина кабеля от ПЧ до двигателя

Чем больше расстояние между преобразователем и двигателем, тем сильнее могут проявляться нежелательные электрические эффекты.

При длинной линии могут увеличиваться:

·       перенапряжения на обмотках двигателя;

·       высокочастотные токи;

·       электромагнитные помехи;

·       нагрузка на изоляцию.

Поэтому при значительной длине кабеля могут применяться:

·       моторные дроссели;

·       фильтры du/dt;

·       синусные фильтры.

Конкретное решение определяется параметрами преобразователя, двигателя и длиной кабельной линии.

Входной дроссель

В некоторых системах на входе преобразователя устанавливается сетевой дроссель.

Он может использоваться для снижения воздействия ПЧ на питающую сеть и ограничения некоторых переходных процессов.

Необходимость его применения зависит от:

·       мощности преобразователя;

·       параметров сети;

·       требований производителя;

·       проектных решений.

Что такое du/dt-фильтр

Выходное напряжение ПЧ формируется импульсным методом.

Из-за этого на двигатель воздействуют быстрые изменения напряжения.

При длинных кабельных линиях они могут приводить к повышенной нагрузке на изоляцию.

du/dt-фильтр уменьшает скорость изменения напряжения и снижает воздействие импульсных процессов на двигатель.

Особенно это актуально для некоторых мощных двигателей и электроприводов с длинным соединительным кабелем.

Когда нужен синусный фильтр

Синусный фильтр устанавливается на выходе преобразователя и позволяет приблизить форму напряжения к синусоидальной.

Он может применяться:

·       при большой длине моторного кабеля;

·       для определенных типов двигателей;

·       при повышенных требованиях к электромагнитной совместимости;

·       в специальных промышленных системах.

Необходимость фильтра определяется расчетом и рекомендациями производителя преобразователя.

Настройка частотника после подключения

После электрического монтажа преобразователь необходимо настроить.

Как минимум в его параметры вводятся данные электродвигателя:

·       номинальная мощность;

·       номинальный ток;

·       номинальное напряжение;

·       частота;

·       скорость вращения.

Кроме этого настраиваются:

·       минимальная частота;

·       максимальная частота;

·       время разгона;

·       время торможения;

·       алгоритм управления;

·       направление вращения;

·       способы выдачи команд;

·       защитные функции.

Для более сложных ПЧ может выполняться идентификация параметров двигателя.

Первый запуск электродвигателя

После монтажа и настройки рекомендуется сначала проверить систему без технологической нагрузки, если конструкция оборудования позволяет это сделать.

Проверяют:

·       направление вращения;

·       ток;

·       отсутствие посторонних шумов;

·       работу вентиляции;

·       корректность разгона;

·       правильность остановки;

·       аварийные сигналы.

После этого выполняются испытания под рабочей нагрузкой.

Как изменить направление вращения двигателя

В электроприводе с преобразователем направление вращения обычно задается программно или управляющим сигналом.

Менять фазы на выходе ПЧ при каждом реверсе не требуется.

Если при первом пуске двигатель вращается в неправильную сторону, направление корректируют в соответствии с инструкцией производителя и проектной схемой.

Как управлять частотой вращения

Преобразователь может получать задание скорости разными способами.

Например:

·       с панели самого ПЧ;

·       потенциометром;

·       аналоговым сигналом;

·       дискретными командами;

·       от программируемого контроллера;

·       по промышленной сети.

В автоматизированных системах значение скорости обычно формируется контроллером в зависимости от технологического процесса.

Подключение датчика к ПЧ

Например, насосная система может работать по датчику давления.

Датчик измеряет давление в трубопроводе и передает сигнал преобразователю или контроллеру.

ПЧ изменяет скорость электродвигателя таким образом, чтобы поддерживать заданное давление.

Аналогично можно регулировать:

·       расход;

·       температуру;

·       уровень;

·       давление;

·       другие технологические параметры.

Можно ли подключить несколько двигателей к одному частотнику

Технически такое решение возможно в некоторых схемах.

Но необходимо соблюдать ряд условий.

Преобразователь должен быть рассчитан на суммарный ток всех подключаемых двигателей.

Кроме того, каждый двигатель может потребовать отдельной защиты.

Главное ограничение заключается в том, что все двигатели получают одну и ту же выходную частоту и не могут независимо регулировать скорость.

Поэтому для механизмов, требующих раздельного управления, обычно устанавливается отдельный ПЧ на каждый двигатель.

Можно ли включать и выключать двигатели при работающем ПЧ

При групповой работе нескольких двигателей необходимо использовать специально разработанный алгоритм управления.

Подключение или отключение двигателя непосредственно на работающем выходе преобразователя может создавать токовые броски и аварийные режимы.

Поэтому такие системы требуют отдельного проектирования.

Частотник и двигатель с тормозом

Для подъемного или кранового механизма электродвигатель часто оснащен электромеханическим тормозом.

В такой системе необходимо правильно согласовать:

·       создание момента двигателем;

·       растормаживание;

·       движение;

·       снижение скорости;

·       включение механического тормоза.

Если тормоз отпустить раньше, чем двигатель создаст необходимый момент, груз или механизм может начать неконтролируемое движение.

Поэтому управление тормозом является важной частью алгоритма электропривода.

Когда нужен тормозной резистор

При быстром замедлении двигатель может переходить в генераторный режим.

Энергия возвращается в звено постоянного тока преобразователя, вызывая рост напряжения.

Если ПЧ имеет соответствующую схему, часть энергии можно рассеять на тормозном резисторе.

Такое решение востребовано для:

·       подъемников;

·       кранов;

·       центрифуг;

·       станков;

·       механизмов с большой инерцией.

Если торможения частые и энергия значительна, могут применяться рекуперативные решения.

Подключение преобразователя к АСУ ТП

На промышленном предприятии трехфазный частотник часто работает в составе автоматизированной системы.

АСУ ТП может передавать команды:

·       пуск;

·       останов;

·       реверс;

·       задание скорости;

·       выбор режима;

·       сброс аварии.

От преобразователя система получает данные:

·       текущую частоту;

·       скорость;

·       ток;

·       мощность;

·       состояние;

·       предупреждения;

·       аварийные сообщения.

Это позволяет оператору контролировать работу электропривода централизованно.

Какие ошибки допускают при выборе трехфазного частотника

Выбирают только по мощности

Не проверяют номинальный ток двигателя.

Не учитывают характер нагрузки

ПЧ для легкой насосной нагрузки устанавливают на тяжелый конвейер или кран.

Игнорируют перегрузочную способность

В результате при пуске оборудования преобразователь отключается по перегрузке.

Неправильно соединяют обмотки двигателя

Не проверяют соответствие схемы «звезда/треугольник» фактическому напряжению.

Не учитывают длину моторного кабеля

После запуска возникают перенапряжения или электромагнитные помехи.

Неправильно организуют торможение

ПЧ уходит в аварию по перенапряжению при быстрой остановке.

Не предусматривают охлаждение

Преобразователь перегревается внутри электротехнического шкафа.

Не учитывают интеграцию с АСУ ТП

После поставки выясняется отсутствие необходимого интерфейса или протокола связи.

Как подобрать ПЧ для трехфазного электродвигателя

Для первичного подбора необходимо знать как минимум:

1.     мощность двигателя;

2.     номинальный ток;

3.     напряжение;

4.     номинальную частоту;

5.     назначение механизма;

6.     характер нагрузки;

7.     необходимый диапазон скорости;

8.     условия эксплуатации.

Для сложных промышленных применений дополнительно учитываются:

·       перегрузочные циклы;

·       требуемый момент;

·       режим торможения;

·       длина моторного кабеля;

·       требования к АСУ ТП;

·       необходимость обратной связи;

·       параметры электросети;

·       требования к резервированию.

Какой частотник выбрать для стандартного трехфазного двигателя

Если речь идет о стандартном насосе или вентиляторе, выбор обычно выполняется по номинальному току двигателя, напряжению и необходимому функционалу.

Для тяжелонагруженных механизмов этого недостаточно.

Например, преобразователь для:

·       крана;

·       прокатного стана;

·       дробилки;

·       буровой установки;

·       большого конвейера

необходимо подбирать с учетом нагрузочной диаграммы и динамических характеристик привода.

Преобразователь частоты как часть системы электропривода

Для промышленного оборудования правильнее рассматривать не отдельно частотник для трехфазного электродвигателя, а всю систему регулируемого электропривода.

В нее могут входить:

·       ПЧ;

·       электродвигатель;

·       шкаф управления;

·       коммутационная аппаратура;

·       входные и выходные дроссели;

·       фильтры;

·       тормозное оборудование;

·       контроллер;

·       датчики;

·       средства связи с АСУ ТП.

Каждый элемент влияет на надежность и характеристики системы.

Главное при выборе и подключении трехфазного частотника

Преобразователь частоты 3ф позволяет управлять скоростью и моментом трехфазного электродвигателя, обеспечивать плавный запуск, торможение и автоматизацию технологического процесса.

Однако для надежной работы недостаточно выбрать преобразователь с тем же количеством киловатт, что указано на двигателе.

При подборе необходимо учитывать:

·       рабочий ток;

·       напряжение;

·       тип нагрузки;

·       перегрузочную способность;

·       алгоритм управления;

·       длину моторного кабеля;

·       условия эксплуатации;

·       требования к торможению;

·       взаимодействие с системой автоматизации.

Для насосов и вентиляторов задача может решаться относительно стандартно. Для кранов, прокатных станов, буровых установок и других мощных промышленных механизмов необходим инженерный расчет всей системы электропривода.