Статьи

Выходная частота преобразователя частоты | НТЦ «Приводная Техника»

Одно из главных преимуществ частотно-регулируемого электропривода — возможность изменять скорость электродвигателя без механического регулирования. Для этого преобразователь частоты формирует на выходе переменное напряжение с заданной частотой и амплитудой.

Именно выходная частота преобразователя частоты во многом определяет скорость вращения двигателя. Однако установить любое значение частоты без учета характеристик электродвигателя и механизма нельзя. При слишком низкой частоте могут возникнуть проблемы с охлаждением и моментом, а при работе выше номинальной частоты двигатель переходит в область ослабления магнитного поля, где доступный момент уменьшается. ABB разделяет работу асинхронного двигателя с ПЧ на область постоянного магнитного потока ниже номинальной частоты и область ослабления поля выше нее.

Разберем, что такое выходная частота ПЧ, как она связана со скоростью электродвигателя, какой диапазон можно использовать и почему максимальная частота преобразователя не всегда является допустимой рабочей частотой двигателя.

Что такое выходная частота преобразователя частоты

Преобразователь частоты устанавливается между источником питания и электродвигателем.

Упрощенная схема выглядит так:

электрическая сеть → преобразователь частоты → электродвигатель → технологический механизм

В обычной промышленной сети частота питания имеет фиксированное значение. ПЧ сначала преобразует электрическую энергию во внутреннем звене постоянного тока, а затем инвертор формирует на выходе переменное напряжение требуемой частоты и амплитуды.

В руководстве МТ1000/МТ2000 НТЦ «Приводная Техника» инверторный модуль описан именно как силовая ступень, преобразующая напряжение промежуточного звена обратно в переменное напряжение с регулируемыми частотой и амплитудой для питания электродвигателя.

Таким образом, выходная частота преобразователя частоты — это частота переменного напряжения, которое ПЧ формирует на своих выходных клеммах и подает на электродвигатель.

Как выходная частота влияет на скорость двигателя

Для асинхронного двигателя частота питания напрямую связана со скоростью вращения магнитного поля.

Синхронную скорость можно определить по формуле:

n = 60 × f / p,

где:

· n — синхронная скорость, об/мин;

· f — частота питания, Гц;

· p — число пар полюсов двигателя.

Если используется обозначение по количеству полюсов, формула записывается как:

n = 120 × f / P.

Следовательно, при уменьшении частоты скорость магнитного поля снижается, а при увеличении — возрастает.

Например, для четырехполюсного двигателя теоретическая синхронная скорость составит примерно:

· 25 Гц — 750 об/мин;

· 40 Гц — 1200 об/мин;

· 50 Гц — 1500 об/мин;

· 60 Гц — 1800 об/мин.

Фактическая скорость асинхронного двигателя несколько ниже синхронной из-за скольжения и зависит от нагрузки.

Почему двигатель на 50 Гц вращается медленнее 1500 об/мин

Для четырехполюсного двигателя при частоте 50 Гц синхронная скорость составляет 1500 об/мин.

Однако на шильдике можно увидеть, например:

1470 об/мин,
1480 об/мин,
1460 об/мин.

Разница возникает из-за скольжения ротора относительно вращающегося магнитного поля.

Поэтому ПЧ регулирует прежде всего частоту электрического поля, а фактическая скорость двигателя зависит также от:

· нагрузки;

· конструкции двигателя;

· выбранного алгоритма управления;

· использования обратной связи.

В системах с энкодером преобразователь может учитывать реальную скорость и корректировать управление приводом.

Номинальная частота электродвигателя

Для правильной настройки ПЧ необходимо знать номинальную частоту двигателя.

Она указывается на заводской табличке.

Для многих промышленных двигателей это:

50 Гц.

Но встречаются двигатели, рассчитанные на:

· 60 Гц;

· 100 Гц;

· 200 Гц;

· другие значения.

Поэтому нельзя автоматически считать 50 Гц номинальной частотой любого электродвигателя.

Настройка преобразователя должна выполняться по паспортным данным конкретной машины.

Минимальная и максимальная выходная частота

Современный ПЧ обычно позволяет программно устанавливать:

· минимальную выходную частоту;

· максимальную выходную частоту.

Например, сам преобразователь конструктивно может поддерживать широкий частотный диапазон, но в параметрах конкретного механизма можно ограничить его:

от 20 до 50 Гц

или:

от 10 до 60 Гц.

Ограничения устанавливаются не произвольно. Они должны учитывать характеристики:

· электродвигателя;

· механизма;

· системы охлаждения;

· подшипников;

· редуктора;

· технологического процесса.

В документации Danfoss по выбору ПЧ также указывается необходимость устанавливать минимальные и максимальные ограничения скорости исходя из возможностей конкретного механизма; например, отдельный компрессор может не допускать работу ниже определенной скорости.

Может ли ПЧ выдавать частоту выше 50 Гц

Да. Многие преобразователи технически способны формировать выходную частоту значительно выше стандартной сетевой частоты.

Однако из этого не следует, что любой двигатель можно безопасно разгонять до любой частоты.

Необходимо различать:

максимальную техническую выходную частоту ПЧ

допустимую рабочую частоту электродвигателя и механизма.

Первая определяется конструкцией и программным обеспечением преобразователя.

Вторая — характеристиками всей приводной системы.

Siemens прямо отмечает, что увеличение выходной частоты позволяет повысить скорость двигателя, но при работе выше номинальной частоты доступный момент снижается.

Что происходит от 0 до номинальной частоты

Рассмотрим стандартный двигатель с номинальной частотой 50 Гц.

Диапазон примерно до 50 Гц называют областью постоянного магнитного потока.

В этой зоне преобразователь изменяет одновременно частоту и напряжение таким образом, чтобы поддерживать необходимые магнитные условия в двигателе.

ABB указывает, что диапазон ниже номинальной частоты является областью постоянного магнитного потока, где двигатель способен обеспечивать примерно постоянный максимальный момент в пределах возможностей привода.

Упрощенно:

частота увеличивается → напряжение также увеличивается.

Например:

· 10 Гц — пониженное напряжение;

· 25 Гц — большее напряжение;

· 50 Гц — номинальная область напряжения двигателя.

Конкретное соотношение определяется алгоритмом управления ПЧ.

Почему нельзя просто подать номинальное напряжение на низкой частоте

Если при очень низкой частоте подать на двигатель полное номинальное напряжение без соответствующего алгоритма управления, магнитный поток может стать чрезмерным.

Это способно привести к:

· насыщению магнитной системы;

· повышению тока;

· перегреву;

· неустойчивой работе.

Поэтому преобразователь регулирует не только частоту, но и амплитуду выходного напряжения.

Именно сочетание этих двух параметров позволяет корректно управлять электродвигателем.

Что происходит выше номинальной частоты

Когда частота превышает номинальное значение двигателя, ситуация меняется.

Допустим, двигатель рассчитан на:

400 В, 50 Гц.

До определенной точки ПЧ повышает частоту и напряжение одновременно.

Но напряжение невозможно бесконечно увеличивать — его ограничивают параметры питающей сети и самого преобразователя.

После достижения максимального доступного напряжения частота продолжает увеличиваться, а напряжение практически остается постоянным.

Двигатель переходит в область ослабления поля.

ABB указывает, что выше номинальной частоты двигатель работает в зоне ослабления магнитного поля; эту область также называют зоной приблизительно постоянной мощности.

Почему выше 50 Гц снижается момент

Мощность вращательного движения связана с моментом и скоростью.

Упрощенно:

P = M × ω,

где:

· P — мощность;

· M — момент;

· ω — угловая скорость.

Если после перехода в область ослабления поля мощность остается примерно постоянной, а скорость увеличивается, доступный момент должен уменьшаться.

Поэтому двигатель, способный развивать определенный момент на 50 Гц, может уже не обеспечивать такой же момент на:

· 60 Гц;

· 70 Гц;

· 80 Гц;

· 100 Гц.

ABB указывает, что максимальный момент после точки ослабления поля снижается с ростом частоты. Siemens также отмечает снижение доступного момента при работе двигателя выше номинальной скорости.

Можно ли установить 60 Гц для двигателя 50 Гц

Иногда это возможно, но универсального ответа нет.

Необходимо проверить:

· паспорт двигателя;

· допустимую максимальную скорость;

· характеристики подшипников;

· балансировку ротора;

· механическую прочность;

· допустимую скорость приводимого механизма;

· требуемый момент;

· характеристики ПЧ.

Например, двигатель может электрически работать при 60 Гц, но приводимый насос или вентилятор может не допускать соответствующего увеличения скорости.

Следовательно, вопрос необходимо рассматривать для всей системы.

Почему повышение частоты особенно опасно для вентиляторов и насосов

Для центробежных насосов и вентиляторов нагрузка быстро увеличивается с ростом скорости.

При небольшом увеличении оборотов могут значительно вырасти:

· расход;

· давление;

· требуемая мощность.

Поэтому увеличение частоты, например с 50 до 60 Гц, нельзя воспринимать как простое увеличение скорости на 20%.

Необходимо проверить характеристику механизма и мощность двигателя.

Если насос или вентилятор изначально рассчитан на работу около номинальной скорости, превышение ее может привести к перегрузке двигателя и механической части.

Что происходит при очень низкой выходной частоте

ПЧ технически может обеспечивать вращение двигателя при значительно сниженной частоте.

Однако длительная работа на низкой скорости имеет ограничения.

Одна из главных проблем — охлаждение.

У обычного асинхронного двигателя охлаждающий вентилятор часто установлен непосредственно на валу.

При снижении скорости двигателя:

снижается скорость вентилятора → уменьшается воздушный поток → ухудшается охлаждение.

Поэтому двигатель, длительно работающий с большим моментом на малых оборотах, может перегреваться даже при токе, который кажется допустимым.

Когда нужна независимая вентиляция двигателя

Если технологический процесс требует длительной работы, например, на:

· 5 Гц;

· 10 Гц;

· 15 Гц;

при значительной нагрузке, собственного вентилятора двигателя может быть недостаточно.

В таких случаях могут применяться двигатели:

· с независимым вентилятором;

· со специальной системой охлаждения;

· специально предназначенные для регулируемого привода.

Необходимость такого решения определяется расчетом теплового режима.

Минимальная частота зависит не только от двигателя

Иногда двигатель технически способен вращаться при 5 Гц, но механизм работать в таком режиме не может.

Например, ограничения могут возникать у:

· насосов;

· компрессоров;

· редукторов;

· вентиляторов;

· систем смазки;

· конвейеров.

Компрессор может требовать определенной минимальной скорости для нормальной циркуляции масла.

Насос может выйти за допустимую рабочую область.

У вентилятора может оказаться недостаточным создаваемый воздушный поток.

Именно поэтому минимальная выходная частота определяется требованиями всей установки.

Выходная частота и крутящий момент

В диапазоне ниже базовой частоты ПЧ может обеспечивать высокую способность регулирования момента, особенно при использовании векторного управления.

Однако на очень малых скоростях качество управления зависит от:

· типа ПЧ;

· параметров двигателя;

· алгоритма регулирования;

· наличия энкодера.

Для насоса или вентилятора высокая точность момента на скорости около нуля обычно не требуется.

Для крана, подъемника или прокатного механизма ситуация другая.

Работа ПЧ на низкой частоте в крановом приводе

Кран может требовать:

· медленного позиционирования;

· высокого момента;

· удержания нагрузки;

· плавного разгона;

· точного торможения.

Поэтому просто снизить частоту до нескольких герц недостаточно.

Необходимо обеспечить устойчивое управление моментом.

Для таких систем могут использоваться:

· векторные алгоритмы;

· обратная связь по скорости;

· энкодер;

· управление механическим тормозом.

Таким образом, одна и та же выходная частота может предъявлять совершенно разные требования к ПЧ в зависимости от механизма.

Выходная частота и прокатный стан

На прокатных станах частота может быстро изменяться в соответствии с технологическим циклом.

Важно не просто установить требуемую скорость, но и обеспечить:

· необходимый момент;

· динамику разгона;

· синхронизацию приводов;

· точность регулирования;

· работу нескольких механизмов как единой системы.

Поэтому в тяжелом промышленном электроприводе диапазон выходной частоты рассматривается вместе с моментной характеристикой.

Выходная частота и буровые установки

Аналогичная ситуация возникает на буровых установках.

Различные механизмы могут работать в широком диапазоне скоростей и нагрузок.

При выборе и настройке ПЧ учитываются:

· максимальная скорость;

· минимальная рабочая скорость;

· требуемый момент;

· переходные режимы;

· перегрузки;

· особенности технологического процесса.

Для таких объектов заданная частота является только одним из параметров сложной системы управления приводом.

Выходная частота ПЧ и механический редуктор

Иногда пытаются расширить диапазон работы механизма только за счет частотного регулирования.

Например, вместо изменения передаточного отношения редуктора двигатель заставляют работать от очень низкой до очень высокой частоты.

Такой подход имеет ограничения.

Если диапазон скорости очень велик, необходимо проверить:

· охлаждение на малых оборотах;

· момент двигателя;

· область ослабления поля;

· максимально допустимые обороты;

· характеристики механической передачи.

Иногда правильнее изменить передаточное отношение редуктора, чем заставлять двигатель работать в неэффективном частотном диапазоне.

Выходная частота и частота коммутации — не одно и то же

Эти два параметра иногда путают.

Выходная частота определяет основную частоту напряжения, формируемого для двигателя.

Например:

40 Гц.

Частота коммутации — это значительно более высокая частота переключения силовых транзисторов инвертора.

Именно высокочастотная коммутация позволяет сформировать на выходе требуемое регулируемое напряжение.

В документации МТ1000/МТ2000 НТЦ «Приводная Техника» также описывается высокоскоростная коммутация постоянного напряжения инверторным модулем для формирования выходного переменного сигнала требуемой формы.

Поэтому значения этих двух частот нельзя сравнивать напрямую.

Как задается выходная частота ПЧ

Задание скорости может поступать разными способами.

Например:

· с панели преобразователя;

· потенциометром;

· аналоговым сигналом;

· дискретными командами;

· от ПЛК;

· через промышленную сеть;

· автоматически по технологическому параметру.

ПЧ преобразует полученное задание в требуемую частоту с учетом установленных ограничений.

Автоматическое изменение выходной частоты

Наиболее эффективное применение ПЧ — когда частота регулируется автоматически в соответствии с состоянием технологического процесса.

Например, на насосной станции:

датчик давления → контроллер → ПЧ → насос.

Если давление снизилось, контроллер увеличивает задание частоты.

ПЧ повышает обороты двигателя.

Если давление становится выше требуемого, частота снижается.

Таким образом, оператору не нужно постоянно вручную менять скорость.

Выходная частота и АСУ ТП

На промышленном предприятии выходная частота часто задается системой автоматизации.

АСУ ТП может передавать ПЧ:

· команду пуска;

· задание скорости;

· разрешение работы;

· реверс;

· выбор технологического режима.

В свою очередь преобразователь передает:

· заданную частоту;

· фактическую выходную частоту;

· ток;

· состояние;

· предупреждения;

· аварийные сигналы.

МТ1000/МТ2000 поддерживают промышленное взаимодействие с внешней системой управления, включая интерфейсы и сетевые средства, описанные в руководстве по эксплуатации.

Задание частоты и реальная скорость — не всегда одно и то же

Допустим, преобразователь формирует 50 Гц.

Это не означает, что электродвигатель обязательно вращается точно с расчетной синхронной скоростью.

На фактическую скорость влияют:

· скольжение;

· нагрузка;

· параметры двигателя;

· алгоритм управления.

Если требуется очень точное поддержание скорости, применяется обратная связь.

Например, энкодер измеряет реальные обороты, а ПЧ корректирует управление двигателем.

Почему двигатель может не разгоняться до заданной частоты

Иногда преобразователю задают 50 Гц, но двигатель не достигает требуемого режима.

Возможные причины:

· перегрузка механизма;

· недостаточный момент;

· ограничение тока;

· слишком короткое время разгона;

· неправильные параметры двигателя;

· неверно выбранный ПЧ;

· механическая неисправность.

В такой ситуации увеличение максимальной частоты обычно не решает проблему.

Необходимо найти причину недостаточной динамики.

Время разгона и выходная частота

ПЧ не обязательно мгновенно переходит, например, с 0 до 50 Гц.

Обычно задается рампа разгона.

Например:

0 → 50 Гц за 20 секунд.

Это позволяет плавно увеличить скорость.

Время разгона выбирается исходя из:

· момента двигателя;

· инерции механизма;

· допустимых нагрузок;

· требований технологического процесса.

Слишком короткое время может привести к превышению тока и аварийному отключению.

Время торможения

При остановке происходит обратный процесс:

50 → 0 Гц.

Но быстро уменьшить команду частоты недостаточно.

Если механизм обладает большой инерцией, двигатель начинает работать в генераторном режиме.

Для отвода энергии могут потребоваться:

· тормозной резистор;

· тормозной прерыватель;

· активный выпрямитель;

· рекуперативная система.

Поэтому минимально возможное время торможения определяется не только настройкой ПЧ.

Максимальная частота и механическая прочность двигателя

При повышении частоты увеличивается скорость ротора.

Даже если электрически двигатель способен работать в таком режиме, существуют механические ограничения.

При высоких оборотах растут нагрузки на:

· ротор;

· подшипники;

· вентилятор;

· соединительные муфты;

· приводной механизм.

Siemens отдельно указывает, что эксплуатация стандартных трехфазных двигателей на частотах выше номинальной требует проверки допустимой скорости и соответствующей моментной характеристики.

Нельзя определять максимальную частоту только по ПЧ

Допустим, в меню преобразователя можно установить 200 Гц.

Это еще не значит, что двигатель можно разогнать до 200 Гц.

Безопасная максимальная частота определяется наиболее жестким ограничением среди:

· ПЧ;

· двигателя;

· редуктора;

· муфты;

· подшипников;

· рабочего механизма;

· технологического процесса.

Поэтому настройка максимальной частоты всегда должна выполняться на основании проекта и паспортных характеристик оборудования.

Почему важно правильно вводить данные двигателя

При вводе ПЧ в эксплуатацию обычно задаются паспортные параметры электродвигателя:

· номинальное напряжение;

· номинальный ток;

· номинальная мощность;

· номинальная частота;

· номинальная скорость.

На основании этих данных система управления рассчитывает режим работы электродвигателя.

Если, например, двигатель рассчитан на 50 Гц, а в настройках ошибочно указано другое значение, это может нарушить алгоритм регулирования.

Как определить рабочий диапазон частоты

Правильный диапазон следует определять последовательно.

1. Проверить паспорт двигателя

Необходимо определить:

· номинальную частоту;

· номинальную скорость;

· максимально допустимую скорость.

2. Проверить характеристики механизма

Например:

· минимальные обороты компрессора;

· допустимую скорость насоса;

· максимальную скорость вентилятора;

· диапазон редуктора.

3. Определить необходимый момент

Особенно важно при работе на низких скоростях и выше базовой частоты.

4. Проверить охлаждение

Нужно определить, допустима ли длительная работа двигателя на низких оборотах.

5. Проверить возможности ПЧ

Учитываются:

· максимальная выходная частота;

· выходной ток;

· алгоритм управления;

· перегрузочная способность.

6. Установить программные ограничения

После расчета в ПЧ задаются минимальная и максимальная рабочие частоты.

Пример настройки насосного двигателя

Предположим, двигатель рассчитан на:

400 В, 50 Гц.

Технологическому процессу требуется работа насоса от 60 до 100% номинальной скорости.

Рабочий диапазон ПЧ может быть ограничен приблизительно:

30–50 Гц.

В таком случае система не позволит оператору случайно снизить скорость ниже допустимого технологического значения или превысить номинальную скорость.

Точный диапазон должен определяться по характеристике конкретного насоса.

Пример для конвейера

Для конвейера может потребоваться:

· минимальная скорость при наладке;

· рабочая скорость производства;

· кратковременная повышенная скорость.

Например, диапазон может быть задан:

10–50 Гц.

Но если конвейер запускается под нагрузкой, необходимо проверить, способен ли двигатель обеспечивать достаточный момент в нижней части диапазона.

Пример работы выше номинальной частоты

Допустим, стандартный двигатель работает:

· до 50 Гц — в основной рабочей области;

· выше 50 Гц — в области ослабления поля.

Если увеличить частоту до 70 Гц, скорость двигателя возрастет.

Но доступный момент будет ниже, поэтому такая настройка подходит только тогда, когда механизму на повышенной скорости требуется меньший момент и производитель двигателя допускает соответствующие обороты.

Основные ошибки при настройке выходной частоты

Максимальную частоту устанавливают «с запасом»

Например, ставят 100 Гц, хотя двигатель рассчитан на работу около 50 Гц.

В результате оператор получает возможность случайно превысить безопасные обороты оборудования.

Не ограничивают минимальную скорость

Механизм длительно работает на слишком низких оборотах и двигатель перегревается.

Не учитывают снижение момента выше номинальной частоты

После увеличения скорости оборудование перестает развивать требуемый момент.

Не проверяют механическую часть

ПЧ и двигатель способны увеличить скорость, но редуктор или рабочий механизм на нее не рассчитаны.

Путают частоту коммутации и выходную частоту

Это совершенно разные параметры преобразователя.

Не учитывают нагрузку

Одинаковая частота может быть допустима для вентилятора и недопустима для тяжелого подъемного механизма.

Какой должна быть выходная частота преобразователя частоты

Универсального оптимального значения не существует.

Выходная частота преобразователя частоты должна соответствовать требуемой скорости технологического механизма и одновременно оставаться в допустимом рабочем диапазоне электродвигателя.

Для стандартного двигателя номинальной частотой часто является 50 Гц, однако ПЧ позволяет работать и ниже, и при определенных условиях выше этого значения.

При этом необходимо помнить:

· уменьшение частоты снижает скорость;

· длительная работа на низкой скорости может ухудшать охлаждение двигателя;

· до номинальной частоты привод обычно работает в области постоянного магнитного потока;

· выше номинальной частоты начинается область ослабления поля;

· при росте скорости в этой области доступный момент снижается.

Поэтому рабочий диапазон ПЧ должен определяться не только возможностями самого преобразователя, но и характеристиками двигателя, механизма и технологического процесса.

Выходная частота ПЧ как часть настройки промышленного электропривода

Для простого вентилятора настройка диапазона может сводиться к установке минимальной и максимальной частоты.

Для крана, прокатного стана, буровой установки или другого тяжелого оборудования этого недостаточно.

Необходимо одновременно учитывать:

· моментную характеристику двигателя;

· перегрузочную способность ПЧ;

· скорость;

· режим торможения;

· нагрузочную диаграмму;

· обратную связь;

· особенности АСУ ТП.

Поэтому выходную частоту правильно рассматривать не как самостоятельную настройку, а как один из параметров всей системы регулируемого электропривода.

Преобразователи МТ1000/МТ2000 НТЦ «Приводная Техника» предназначены для промышленного управления электродвигателями, а их инверторные модули формируют регулируемое по частоте и амплитуде выходное напряжение. Текущая линейка серии МТ рассчитана на мощные промышленные применения от 450 до 5600 кВт при питании 400/690 В.

Правильный выбор диапазона частот позволяет получить необходимую производительность оборудования без превышения электрических, тепловых и механических ограничений двигателя. Именно поэтому перед вводом ПЧ в эксплуатацию необходимо определять минимальную, номинальную и максимальную рабочую частоту на основании характеристик всей системы электропривода, а не только доступного диапазона настроек преобразователя.