Przetwornica częstotliwości: urządzenie, zasada działania, przeznaczenie

Ponieważ napęd elektryczny jest jedną z głównych metod mechanizacji zadań produkcyjnych i domowych, w niektórych przypadkach konieczne staje się dostosowanie prędkości silników elektrycznych. Stosowane są różne rozwiązania techniczne w zależności od ich rodzaju i zasady działania. Jednym z nich jest przetwornica częstotliwości. Co to jest i gdzie jest używany przetwornica częstotliwości, powiemy Ci w tym artykule.

Definicja

Z definicji konwerter częstotliwości jest elektronicznym konwerterem mocy do zmiany częstotliwości prądu przemiennego. Ale w zależności od wersji zmienia się zarówno poziom napięcia, jak i liczba faz. Może nie jest dla Ciebie do końca jasne, dlaczego takie urządzenie jest potrzebne, ale postaramy się opowiedzieć o tym prostymi słowami.

Częstotliwość obrotu wału silników synchronicznych i asynchronicznych (AM) zależy od częstotliwości obrotu strumienia magnetycznego stojana i jest określona wzorem:

n = (60 * F / p) * (1-S),

gdzie n to liczba obrotów wału IM, p to liczba par biegunów, s to poślizg, f to częstotliwość prądu przemiennego (dla RF - 50 Hz).

W uproszczeniu prędkość wirnika zależy od częstotliwości i liczby par biegunów. Liczba par biegunów jest określona przez konstrukcję cewek stojana, a częstotliwość prądu w sieci jest stała. Dlatego, aby regulować prędkość, możemy regulować częstotliwość tylko za pomocą przetworników.

Urządzenie

Biorąc pod uwagę powyższe, na nowo sformułujemy odpowiedź na pytanie, co to jest:

Przetwornica częstotliwości jest urządzeniem elektronicznym do zmiany częstotliwości prądu przemiennego, a zatem liczby obrotów wirnika indukcyjnej (i synchronicznej) maszyny elektrycznej.

Poniżej możesz zobaczyć konwencjonalne oznaczenie graficzne według GOST 2.737-68:

Nazywa się to elektronicznym, ponieważ opiera się na obwodzie przełącznika półprzewodnikowego. W zależności od cech funkcjonalnych i rodzaju sterowania modyfikowany będzie zarówno schemat obwodu elektrycznego, jak i algorytm działania.

Na poniższym schemacie można zobaczyć, jak działa przetwornica częstotliwości:

Zasada działania przemiennika częstotliwości jest następująca:

• Napięcie sieciowe jest podawane na prostownik 1 i staje się wyprostowane pulsacyjnie.
• W bloku 2 pulsacje są wygładzane, a składowa reaktywna jest częściowo kompensowana.
• Blok 3 to grupa wyłączników mocy sterowanych przez układ sterowania (4) metodą modulacji szerokości impulsu (PWM). Taka konstrukcja umożliwia uzyskanie na wyjściu dwupoziomowego napięcia regulowanego PWM, które po wygładzeniu zbliża się do postaci sinusoidalnej. W drogich modelach znalazł zastosowanie schemat trzypoziomowy, w którym używa się większej liczby kluczy. Pozwala na uzyskanie bardziej sinusoidalnego kształtu fali. Tyrystory, tranzystory polowe lub IGBT mogą być używane jako przełączniki półprzewodnikowe. Ostatnio dwa ostatnie typy są najbardziej poszukiwane i popularne ze względu na ich wydajność, niskie straty i łatwość zarządzania.
• Za pomocą PWM powstaje pożądany poziom napięcia, prostymi słowami - w ten sposób modulowana jest sinusoida, naprzemiennie włączając pary kluczy, tworząc napięcie sieciowe.

Opisaliśmy więc pokrótce, jak działa przetwornica częstotliwości do silnika elektrycznego i z czego się składa. Jest używany jako wtórne źródło zasilania i nie tylko kontroluje kształt prądu sieci zasilającej, ale przekształca jego wielkość i częstotliwość zgodnie z określonymi parametrami.

Rodzaje chastotników i zakres

Metody kontroli

Regulacja prędkości może odbywać się na różne sposoby, zarówno poprzez ustawienie wymaganej częstotliwości, jak i poprzez regulację. Tunery częstotliwości dzielą się na dwa typy w zależności od metody sterowania:

1. Sterowanie skalarne.
2. Ze sterowaniem wektorowym.

Urządzenia pierwszego typu regulują częstotliwość zgodnie z daną funkcją U / F, czyli wraz z częstotliwością zmienia się również napięcie. Przykład takiej zależności napięcia od częstotliwości można zobaczyć poniżej.

Może być różna i zaprogramowana dla konkretnego obciążenia, na przykład na wentylatorach nie jest liniowa, ale przypomina gałąź paraboli. Ta zasada działania utrzymuje prawie stały strumień magnetyczny w szczelinie między wirnikiem a stojanem.

Cechą sterowania skalarnego jest jego powszechność i względna łatwość implementacji. Najczęściej stosowany do pomp, wentylatorów i sprężarek. Takie mierniki częstotliwości są często używane, jeśli konieczne jest utrzymanie stabilnego ciśnienia (lub innego parametru), mogą to być pompy zatapialne do studni, jeśli rozważamy zastosowanie domowe.

W produkcji zakres zastosowań jest szeroki, np. regulacja ciśnienia w tych samych rurociągach oraz wykonanie automatycznych systemów wentylacyjnych. Zakres regulacji wynosi zwykle 1:10, w uproszczeniu maksymalna prędkość może różnić się od minimalnej 10 razy. Ze względu na specyfikę implementacji algorytmów i obwodów takie urządzenia są zwykle tańsze, co jest główną zaletą.

Niedogodności:

• Niezbyt dokładna obsługa RPM.
• Wolniejsza reakcja na zmianę reżimu.
• Najczęściej nie ma możliwości kontrolowania momentu obrotowego na wale.
• Wraz ze wzrostem prędkości powyżej nominalnej spada moment obrotowy na wale silnika (czyli gdy podnosimy częstotliwość powyżej nominalnej 50 Hz).

To ostatnie wynika z faktu, że napięcie wyjściowe zależy od częstotliwości, przy częstotliwości znamionowej, napięcia jest równa sieci, a nad przetwornicą częstotliwości "nie wie jak", na wykresie widać było parzystą część schematu po 50 Hz. Należy zauważyć, że zależność momentu obrotowego od częstotliwości, który wypada zgodnie z prawem 1/f, jest pokazana na poniższym wykresie kolorem czerwonym, a zależność mocy od częstotliwości kolorem niebieskim.

Przetwornice częstotliwości sterowane wektorowo mają inną zasadę działania, tutaj nie tylko napięcie odpowiada krzywej U/f. Charakterystyki napięcia wyjściowego są zmieniane zgodnie z sygnałami z czujników, dzięki czemu na wale utrzymywany jest określony moment obrotowy. Ale dlaczego potrzebujemy tego rodzaju kontroli? Bardziej dokładna i szybsza regulacja to cechy charakterystyczne przetwornicy częstotliwości sterowanej wektorowo. Jest to ważne w takich mechanizmach, w których zasada działania wiąże się z gwałtowną zmianą obciążenia i momentu obrotowego na organie wykonawczym.

Takie obciążenie jest typowe dla tokarek i innych rodzajów obrabiarek, w tym CNC. Dokładność regulacji do 1,5%, zakres regulacji - 1:100, dla większej dokładności z czujnikami prędkości itp. - odpowiednio 0,2% i 1: 10000.

Na forach krąży opinia, że ​​dziś różnica w cenie między napędami o częstotliwości wektorowej i skalarnej jest mniejsza niż był wcześniej (15-35% w zależności od producenta), a główną różnicą jest więcej oprogramowania niż obwody. Należy również zauważyć, że większość modeli wektorowych obsługuje również sterowanie skalarne.

Zalety:

• świetna stabilność i dokładność;
• szybsza reakcja na zmiany obciążenia i wysoki moment obrotowy przy niskiej prędkości;
• szerszy zakres regulacji.

Główną wadą jest to, że jest droższy od skalarnych.

W obu przypadkach częstotliwość można ustawić ręcznie lub za pomocą czujników, np. czujnika ciśnienia lub przepływomierza (w przypadku pomp), potencjometru lub enkodera.

Wszystkie lub prawie wszystkie przetwornice częstotliwości mają funkcję łagodnego rozruchu silnika, co ułatwia rozruch silników z generatorów awaryjnych z niewielkim lub żadnym ryzykiem przeciążenia.

Liczba faz

Oprócz sposobów odpowiedzi przetwornice częstotliwości różnią się również liczbą faz na wejściu i wyjściu. W ten sposób rozróżnia się przemienniki częstotliwości z wejściem jednofazowym i trójfazowym.

Jednocześnie większość modeli trójfazowych może być zasilana z jednej fazy, ale dzięki tej aplikacji ich moc zmniejsza się do 30-50%. Wynika to z dopuszczalnego obciążenia prądowego diod i innych elementów mocy obwodu. Modele jednofazowe są dostępne w zakresie mocy do 3 kW.

Ważny! Należy pamiętać, że przy połączeniu jednofazowym z napięciem do wejścia 220 V, przy 220 V będzie wyjście 3 faz, a nie przy 380 V. Oznacza to, że w skrócie wyjście liniowe będzie wynosić dokładnie 220 V. W związku z tym zwykłe silniki z uzwojeniami zaprojektowanymi na napięcia 380 / 220 V muszą być połączone w trójkąt, a te o napięciu 127/220 V - w gwiazdę.

W sieci można znaleźć wiele ofert typu "przetwornica częstotliwości 220 na 380" - jest to w większości przypadków marketing, sprzedawcy nazywają dowolne trzy fazy "380V".

Aby uzyskać rzeczywiste napięcie 380 V z jednej fazy, należy użyć jednofazowego transformatora 220/380 (jeśli wejście przetwornicy częstotliwości przystosowane do takiego napięcia) lub zastosować specjalistyczną przetwornicę częstotliwości z wejściem jednofazowym i trójfazowym 380V Wyjście.

Osobnym i rzadszym typem przemienników częstotliwości są jednofazowe przemienniki częstotliwości z jednofazowym wyjściem 220. Przeznaczone są do sterowania jednofazowymi silnikami rozruchowymi z kondensatorami. Przykładami takich urządzeń są:

• ERMAN ER-G-220-01
• INNOVERT IDD

Diagram połączeń

W rzeczywistości, aby uzyskać 3-fazowe wyjście z przetwornicy częstotliwości 380V, należy podłączyć 3 fazy 380V do wejścia:

Podłączenie przetwornicy częstotliwości do jednej fazy jest takie samo, z wyjątkiem podłączenia przewodów zasilających:

Jednofazową przetwornicę częstotliwości dla silnika z kondensatorem (pompa lub wentylator małej mocy) podłącza się w następujący sposób:

Jak widać na schematach oprócz przewodów zasilających i przewodów do silnika przetwornica częstotliwości ma inne zaciski, do nich czujniki, przyciski panelu zdalnego sterowania, magistrale do połączenia z komputerem (częściej w standardzie RS-485) oraz inny. Umożliwia to sterowanie silnikiem za pomocą cienkich przewodów sygnałowych, co pozwala na usunięcie przetwornicy częstotliwości z panelu elektrycznego.

Napędy częstotliwości to uniwersalne urządzenia, których celem jest nie tylko regulacja prędkości, ale także ochrona silnika elektrycznego przed nieprawidłowymi trybami pracy i zasilania, a także przed przeciążeniem. Oprócz głównej funkcji urządzenia realizują płynny rozruch napędów, co zmniejsza zużycie sprzętu i obciążenie sieci energetycznej. Zasada działania i głębokość ustawienia parametrów większości przemienników częstotliwości pozwala na oszczędność energii, gdy sterowanie pompami (wcześniej sterowanie odbywało się nie kosztem wydajności pompy, ale za pomocą zaworów) i inne ekwipunek.

Na tym kończymy nasze rozważania na ten temat. Mamy nadzieję, że po przeczytaniu artykułu stało się dla Ciebie jasne, czym jest przetwornica częstotliwości i do czego służy. Na koniec zalecamy obejrzenie przydatnego filmu na ten temat:

Prawdopodobnie nie wiesz:

• Jak zmierzyć częstotliwość AC?
• Jak działa rozrusznik magnetyczny
• Jak wybrać przetwornicę częstotliwości dla mocy i prądu?