Как подобрать частотник для трехфазного электродвигателя

Преобразователь частоты для трехфазного двигателя

Трехфазные асинхронные электродвигатели – самые распространенные электрические машины. Их отличают небольшие габариты при значительной мощности, простота конструкции, низкая стоимость. До появления частотных регуляторов применение этих устройств ограничивали высокие пусковые токи, сложные схемы регулирования скорости вращения ротора.

Ранее для этого применялись:

• Механические устройства (муфты, редукторы и т.д.).
• Электрические схемы, изменяющие величину питающего напряжения.

Такие методы не обеспечивали точность, жесткие механические характеристики электродвигателя во всем диапазоне регулирования вызывали значительные потери мощности. В качестве электропривода ответственного оборудования применялись электрические машины постоянного тока, а также двигатели с фазным ротором.

С появлением высоковольтных транзисторов и тиристоров стал возможным серийный выпуск частотных преобразователей для асинхронных электродвигателей мощностью до десятков МВт. Частотно-регулируемый электропривод отвечает всем современным требованиям:

• Максимально возможный К.П.Д. (свыше 90%).
• Надежность и простота управления.
• Высокая ремонтопригодность.
• Широкий диапазон и плавное регулирование скорости вращения, углового положения вала, разгона и торможения, момента силы и других параметров.
• Высокая энергоэффективность.
• Изменение характеристик в зависимости от фактической нагрузки на валу.
• Помехоустойчивость и быстрое устранение ошибок.
• Снижение тока при запуске до 100-200% от номинального.

Применение преобразователей частоты позволяет заменить дорогостоящие электромоторы переменного тока с фазным ротором и двигатели постоянного тока на дешевые асинхронные машины с короткозамкнутым ротором.

Принцип работы частотного преобразователя

Принцип частотного регулирования основан на зависимости скорости вращения магнитного поля от частоты напряжения, поданного на обмотки статора. ПЧ состоит из силовой и управляющей части. Первая состоит из управляемого или неуправляемого выпрямителя, конденсатора и инвертора. Переменное напряжение сети поступает на выпрямитель, где преобразуется в постоянное. Пульсация получаемого напряжения сглаживается на конденсаторе. Далее постоянное напряжение инвертируется в переменное и поступает в цепь питания электродвигателя.

Постоянная составляющая и высшие гармоники сглаживаются на обмотках двигателя. При необходимости между ПЧ и электрической машиной включают L-фильтры.

Частота и амплитуда напряжения в выходной цепи зависит от управляющих импульсов, отпирающих и запирающих транзисторные ключи инвертора.

Управляющая часть содержит микроконтроллер. Функции этого устройства – формирование управляющих сигналов в соответствии с заданной программой, обработка информации с датчиков, подача сигналов на внешние устройства. Кроме того, в состав управляющей схемы могут входить устройства связи, конвертор интерфейсов, дополнительная память.

Типы сигналов управления

Частотный преобразователь имеет входные и выходные клеммы для подключения датчиков, внешних устройств управления, сигнализации и контроля. Для управления частотно-регулируемым приводом используют следующие сигналы:

• Цифровые(0-5; 0-10 В). Служат для обмена данными с ПК, а также оборудованием удаленного контроля по протоколам САN, RS232, LАN и так далее.
• Аналоговые (0-10 В; 0-20 мА). К таким входам подключают датчики, устройства управления с соответствующим уровнем выходного сигнала.
• Релейные. Предназначены для включения устройств оповещения, сигнальных ламп, звуковой сигнализации, тормозных электромагнитных муфт и т.д.
• Дискретные (0-10 В; 0-20 мА). Для подключения устройств с 2 положениями.

Как правильно подобрать преобразователь частоты для трехфазного двигателя

Выбор ПЧ делают по следующим критериям:

• Способу управления. Различают векторный и скалярный способ управления электродвигателями. Последний применяется для низкопроизводительных вентиляторов, насосных агрегатов, компрессоров. Для лифтов, кранового оборудования и других устройств, требующих точной регулировки с обратной связью по нескольким характеристикам, применяют векторные ПЧ.
• Диапазону регулирования скорости и момента. Он должен соответствовать требованиям к оборудованию.
• Номинальному току, электрической мощности и напряжению. При этом учитывают максимальное значение величин этих характеристик. Рекомендуемый запас мощности ПЧ составляет 15-20%. На двигателе обычно указывают 2 значения напряжения при подключении в звезду или треугольник. Необходимо подобрать преобразователь с номинальным напряжением, соответствующим типу соединения обмоток.
• Количеству аналоговых, цифровых и релейных входов и выходов. Для упрощения последующей модернизации системы управления электроприводом необходимо подобрать преобразователь частоты с большим количеством разъемов.
• Электромагнитной совместимости. Частотный преобразователь является источником высших гармоник и электромагнитных помех. При выборе этого устройства необходимо учесть электромагнитную совместимость с другим оборудованием. При необходимости применять экранированные кабели и фильтры.
• Классу пылевлагозащищенности IP. При невозможности подобрать подходящий ПЧ, устройство, несоответствующее условиям монтажа, устанавливают в электротехнические шкафы, обеспечивающие необходимую защиту от пыли и влаги.
• Возможности подключения нескольких электродвигателей. Для подключения двух или более однотипных двигателей иногда достаточно одного преобразователя частоты.
• Наличию информационного дисплея, пульта дистанционного управления, поддерживаемым протоколам обмена данными, другим дополнительным функциям.

Самостоятельное подключение ПЧ

Подключение частотных преобразователей может осуществляться собственным электротехническим персоналом предприятия. При этом руководствуются технической документацией и следующими правилами:

• Класс ЭМС ПЧ должен соответствовать аналогичной характеристике другого электрооборудования. Для достижения этого требования используют РЧ-фильтры и экранируемые кабели.
• Электродвигатели, для плавного пуска которых применялось переключение “звезда-треугольник”, подключают по одной рабочей схеме.
• ПЧ защищают трехфазным автоматическим выключателем и плавкими предохранителями, включаемыми перед устройством.
• Все управляющие кабели прокладывают раздельно. Также запрещена совместная прокладка силовой и контрольной линии.
• Датчик температуры обмоток подключают к соответствующему входу ПЧ.
• Недопустимо включение конденсаторных фильтров между частотником и электродвигателем. Для компенсации реактивной составляющей используют индуктивные устройства.
• При наличии принудительного охлаждения электродвигателя, управляющую цепь также подключают к ПЧ, который обеспечивает одновременный запуск охлаждающего вентилятора и электродвигателя.
• При установке ПЧ в шкафах управления должна быть обеспечена хорошая вентиляция и охлаждение корпуса устройства.

Частотные преобразователи применяются во всех сферах промышленности и народного хозяйства, а также для бытового электропривода. Их применение снижает потребление электроэнергии, позволяет заменить дорогие электрические машины на простые и дешевые двигатели асинхронного типа, упростить схемы автоматического управления.

На что следует обратить внимание при выборе частотного преобразователя для электродвигателя

Внедрение частотных преобразователей везде, где используются электродвигатели, — верное решение на пути увеличения доходности предприятия. Благодаря гибкой настройке параметров управления и широкому диапазону регулировок современные частотные преобразователи позволяют ощутимо поднять производительность технологического оборудования различного назначения и снизить издержки даже для устаревшего оборудования.

В этой статье мы расскажем, как выбрать частотный преобразователь для электродвигателя самостоятельно или при помощи специалистов.

Самостоятельный подбор ЧП

У вас есть три пути: выбрать общепромышленную модель, выбрать модель для конкретного применения или по характеристикам.

Выбор общепромышленной модели

Это наиболее быстрый и простой вариант. Например, универсальный общепромышленный векторный ЧП большой мощности Веспер из линейки EI -9011 в защищенном корпусе класса IP54 подходит для большинства задач и может использоваться для управления приводами практически всех промышленных механизмов в сложных условиях эксплуатации. Минус такого решения — высокая цена универсального ЧП.

Выбор по стандартному ряду мощностей электродвигателей

Это тоже быстрый и удобный вариант. Как правило, номинальная мощность большинства преобразователей соответствует стандартной серии.

Стандартные серии электродвигателей имеют следующие уровни (номинальной) мощности:

кВт	0,06	0,09	0,12	0,18	0,25	0,37	0,55	0,75	1,10	1,50	2,20	3,00
кВт	4,00	5,50	7,50	11,0	15,0	18,5	22,0	30,0	37,0	45,0	55,0	75,0

Преобразователь частоты подбирается такой же мощности, что и двигатель, или чуть большей. Например, если мощность привода 1,5 кВт, то преобразователь может быть 1,5-2 кВт.

Недостаток этого решения — можно переплатить за избыточную мощность частотника, если электродвигатель не нагружается полностью. Или наоборот: если привод часто работает с пиковыми нагрузками, то приобретенный по стандартной серии ЧП может не справляться с обеспечением работоспособности.

Выбор по характеристикам

1. Электропитание и диапазон выходной частоты.

Количество питающих фаз и номинальное напряжение (В) — первое, на что нужно обращать внимание при выборе. Если это не учесть и неправильно подключить оборудование, возникнут аварийные ситуации и, как следствие, техника выйдет из строя. Выпускаются одно- и трехфазные модели с напряжением на 220 В и 380 В соответственно. Однофазная модель ЧП имеет трёх фазный выход для подключения трёхфазного электродвигателя. Есть также высоковольтные мегаваттные установки для особо мощных агрегатов.

Напряжение местных электросетей, а вернее его качество, также необходимо учитывать при выборе ЧП. Несмотря на то, что Российский стандарт предусматривает для однофазной сети 220 В, а для трехфазной 380 В, на деле бывают существенные провалы и скачки. Если произойдет падение входного напряжения, электропривод аварийно остановится, но если будет скачок вверх, он может сгореть. Поэтому чем шире диапазон допустимых значений напряжения прибора, тем лучше (смотреть их нужно в техническом описании). Модели с широким диапазоном стоят дороже.

Частота (Гц) — следующая по важности характеристика, так как непосредственное управление скоростью вращения вала осуществляется с помощью изменения частоты выходного напряжения. Нужно обратить внимание на диапазон значений выходной частоты ПЧ (например, от 0 до 400 Гц). Чем шире диапазон, тем больше возможностей. У преобразователей частоты, на основе инвертора напряжения, выходная частота не зависит от значения частоты напряжения питания. Все ПЧ ООО «Компании Веспер» выполнены по схеме инвертора напряжения с промежуточным звеном постоянного тока.

2. Мощность и номинальный ток.

Выбор частотного преобразователя по мощности и номинальному току применяемого электродвигателя можно осуществить следующими способами:

• по значению номинального тока электродвигателя по формуле: Iпч = (1.05…1.1) х Iдв ;
• на основе полной мощности (кВА), рассчитывается по формуле: Рпч = Uдв х Iдв х √3 / 1000.

Важно, чтобы выходной ток/мощность частотника был равен или превышал номинальный ток/мощность двигателя. Поэтому для правильного выбора необходимо знать номинальные характеристики электродвигателя.

Получить нужные сведения можно из технической документации, по надписям на корпусе (шильдикам) либо провести замеры.

Если двигатель периодически работает с пиковой нагрузкой (значительный пусковой момент на валу, быстрый разгон, резкое торможение), это нужно учитывать. Следует выбирать модель, которая в состоянии обеспечить перегрузочную способность.

3. Методы управления.

Есть два основных метода управления:

• векторный;
• скалярный.

Приборы со скалярным управлением стоят дешевле и проще в настройке, но они имеют малый диапазон (1:10) и низкую точность регулировки (погрешность скорости может быть 5-10 %). Такие частотно регулируемые электроприводы целесообразно использовать, когда параметры нагрузки заранее известны и не «плавают» при постоянной частоте. Это могут быть различные механизмы с фиксированным режимом работы, отвечающие за поддержание определенного состояния техпроцесса. К примеру: насосы, вентиляторы, компрессоры.

Векторные приборы более технологичны, имеют широкий диапазон режимов и регулировок (>1:200) с практически нулевой погрешностью, могут поддерживать заданный момент при меняющейся скорости и на сверхмалых оборотах, а также постоянную скорость при резко меняющейся нагрузке. Но они стоят дороже и требуют тонкой индивидуальной настройки специалистом. Такие векторные ЧП подходят для конвейеров, лифтов, транспортеров, кранов, прессов, токарных станков.

Метод управления электродвигателем			Диапазон регулирования скорости	Погрешность скорости, %	Время нарастания момента, мс	Пусковой момент	Цена	Стандартные применения
Скалярный			1:10	5-10	Не доступно	Низкий	Очень низкая	Низкопроизводительные: насосы, вентиляторы, компрессоры, ОВК (отопление, вентиляция и кондиционирование)
Векторный	Линейный	Полеориентированное управление	>1:200	0	<1-2	Высокий	Высокая	Высокопроизводительные: краны, лифты, транспорт и т.д.
		Прямое управление моментом с ПВМ	>1:200	0	<1-2	Высокий	Высокая
	Нелинейный	Прямое управление моментом с таблицей включения	>1:200	0	<1	Высокий	Высокая
		Прямое самоуправление	>1:200	0	<1-2	Высокий	Высокая	Высокопроизводительные: электрическая тяга, быстрое ослабление поля

4. Дополнительные опции частотного преобразователя для электродвигателя.

Чтобы понять, какие дополнительные возможности могут понадобиться, необходимо ориентироваться на круг задач (для чего предполагается использовать ЧП), эксплуатационные нагрузки (сколько приводов будет контролировать и в каком режиме), условия, в которых прибор будет работать (нужна ли спецзащита корпуса и др.).

• Для управления приводами с лёгкой нагрузкой и стабильными оборотами (вентиляторы и насосы) выбирают недорогую простую модель с ограниченным набором регулировок и минимальными опциями.
• Для управления приводами с переменными нагрузками, быстрыми стартами и остановками (лифтовые или конвейерные двигатели) нужен ЧП с модулем отвода излишков энергии, возникающих при торможении.
• Для высокоточных задач (в станках различного назначения) может понадобиться прибор с тонкой настройкой в широком диапазоне режимов и сохранением заданного крутящего момента на сверхмалых оборотах.

Дополнительных опций много, как и задач, которые решают частотники. Поэтому при выборе модели частотного преобразователя для электродвигателя полезно написать свой список с теми опциями, которые необходимы.

Мы составили перечень наиболее востребованных опций:

• Дистанционное управление.
• Централизованное управление в составе кластера.
• Контроль работы только одного привода.
• Контроль сразу нескольких двигателей.
• С прямой связью.
• Защищенный корпус (степень по классу IP).
• Модульность.
• Встроенный дисплей и различные индикаторы.
• Программирование с помощью встроенного пульта управления или компьютера.
• Поддержка обратной связи.
• Наличие дискретных, аналоговых, цифровых выходов.
• Метод модуляции и диапазон значений частоты ШИМ).
• Тормозной модуль и способ отвода излишков энергии при торможении (рекуперация, перевод в тепло).
• Автонастройка.
• Возможность пуска (с поиском скорости) свободно вращающегося двигателя.

Если в комплектации не будет всех нужных опций из списка, можно заказать дооснащение. «Компания Веспер» предоставляет такую возможность.

Также полезно знать, что ведущие производители выпускают специальные серии преобразователей, настроенные и оптимизированные для решения конкретных задач. В них уже учтены все нюансы и включены необходимые опции.

Серия частотных преобразователей Веспер EI-P7012 ориентирована на работу с насосами. Серия E3-8100В идеально подходит для вентиляторов.

5. Гарантийные условия и сервисное сопровождение.

Технические характеристики при выборе преобразователя частоты важны, но нужно еще учитывать качество сборки и возможность сервисного сопровождения. Обращайте внимание на:

• гарантийные условия;
• продуманность компоновки и конструкционных решений;
• использование надёжных комплектующих;
• контроль качества и отсутствие брака в готовых изделиях;
• репутацию производителя и множество успешно выполненных проектов;
• профессиональное гарантийное и послегарантийное сервисное обслуживание;
• доступность специалистов для консультаций;
• скорость поставки необходимых комплектующих;
• наличие сети сервисных центров.

Обеспечить все это на должном уровне могут компании с мощным интеллектуальным и экономическим потенциалом, отлаженным высокотехнологичным производством и многоступенчатым контролем качества.

Среди российских производителей «Компания Веспер» соответствует этим критериям в полной мере. Высокое качество продукции подтверждают сертификаты. Оборудование Веспер успешно работает на сотнях объектах электроэнергетики, металлургии, машиностроения, нефтегазового комплекса и других отраслей промышленности.

Как выбрать частотный преобразователь с помощью специалистов Веспер

Крупные производители выпускают огромный ассортимент ЧП. Если при покупке вам нужно учесть множество критериев, то хорошим вариантом будет обратиться за консультацией к специалистам. «Компания Веспер» имеет большой опыт в проведении работ по подбору преобразователей частоты для различных промышленных и бытовых машин и механизмов.

Если вам нужен преобразователь частоты с дополнительными опциями для решения конкретных задач, то это еще один повод обратиться в крупную компанию. В Веспере, например, эту задачу решает инженерно-технический отдел, который порекомендует и подберёт дополнительную комплектацию оборудования по персональным пожеланиям заказчика:

Что нужно знать для правильного выбора преобразователя частоты?

1. Что такое частотный преобразователь и в каких случаях он применяется

Преобразователь частоты предназначен для управления скоростью вращения трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

Внешний вид частотных преобразователей

Частотные преобразователи применяются в следующих случаях:

• при необходимости изменения скорости вращения электродвигателя;
• при необходимости поддержания значения технологического параметра (например, давления) посредством изменения скорости вращения электродвигателя;
• отсутствует питание 380В. Частотные преобразователи с питанием 220В поставляются на мощность до 2,2кВт включительно. Мощность двигателя при этом не теряется (Если двигатель имеет возможность переключения «звезда-треугольник» 380/220, то он может быть включен от однофазной сети 220В);
• требуется подключение к промышленной сети двигателей с «нестандартным» напряжением питания и частотой.

Кроме основных функций, ПЧ обеспечивает

• возможность включения реверса без дополнительного оборудования;
• ограничение пускового тока двигателя;
• контроль тока двигателя;
• плавный разгон и торможение (настраиваемые по времени);
• дополнительную защиту двигателя;
• возможность пропуска резонансных частот;
• стабилизацию момента двигателя даже при колебаниях входного напряжения;
• возможность остановки с замедлением;
• возможность экономии электроэнергии при частично загруженном двигателе (даже без датчика обратной связи);
• работу со встроенным таймером и счетчиком;
• переход в «спящий режим» с отключением насоса при отсутствии водопотребления;
• возможность автоматического перезапуска при восстановлении питания.

Все перечисленные параметры (функционал) поддерживают преобразователи частоты ELHART серии EMD-MINI и EMD-PUMP.

2. Подбор частотного преобразователя

2.1 Преобразователь частоты для однофазного двигателя

Стоит обратить внимание, что стандартные частотные преобразователи не предназначены для работы с однофазными двигателями. Почти все представленные на рынке частотные преобразователи предназначены для управления скоростью вращения трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

Чаще, когда говорят «однофазный преобразователь частоты», имеют ввиду частотный преобразователь с питанием от однофазный сети напряжением 220В. Такой преобразователь имеет на выходе 3 фазы по 220В и также предназначен для управления трехфазным асинхронным двигателем.

Тем не менее, преобразователи частоты для однофазных двигателей существуют, но встречаются крайне редко.

Рисунок 1 — ПЧ для трехфазного двигателя

2.2 Подбор частотного преобразователя по мощности

При подборе преобразователя в первую очередь нужно ориентироваться на ток и напряжение питания электродвигателя. Эта информация указывается на шильдике двигателя.

Рисунок 2 — Шильдик двигателя

1. Напряжение на обмотках. Двигатель, шильдик которого показан рисунке 2, способен работать при трехфазном напряжении 220В (обмотки должны быть соединены в схему «треугольник») и при трехфазном напряжении 380В (соединение «звезда»). Если на шильдике указано 380/660, то такой двигатель может быть подключен к ПЧ с питанием 220В, но в таком случае не будут обеспечены номинальные характеристики двигателя.

2. Номинальный линейный ток двигателя. Данный двигатель потребляет 1,44А при подключении треугольником (питание 220В) и 0,83А при подключении звездой (питание 380В).

Остальная информация, приведенная на шильдике электродвигателя, не влияет на выбор ПЧ.

Несмотря на указанный на шильдике двигателя ток, наиболее правильным методом определения рабочего тока является его непосредственное измерение при работе двигателя. Это позволит избежать проблем в случае работы двигателя при повышенном токе. Фактический длительный рабочий ток двигателя не должен превышать номинальный выходной ток преобразователя.

Купить частотный преобразователь подобрав его по мощности двигателя не правильно, так как мощность двигателя зависит от КПД и коэффициента мощности (cosφ), а указанная на электродвигателе мощность относится к механической мощности двигателя на валу, а не к потребляемой от источника питания активной мощности, как это принято для других потребителей электроэнергии.

Таблица 1 – Электрические характеристики двигателей

Двигатель	Мощность, кВт	Об/мин	Ток при Δ220/Y380 В	КПД, %	Коэф. Мощн.	IП/IН
АИР 80 А2	1,5	3000	6,2 / 3,6	78,5	0,85	6,5
АИР 80 В4		1500	6,8 / 3,9	78,5	0,80	5,3
АИР 90 L6		1000	7,3 / 4,2	76	0,70	5,0

Двигатель АИР 90 L6 (1000 об/мин) при одинаковой с частотным преобразователем мощности потребляет в номинальном режиме ток 4,2 А при питании 380 В, а преобразователь имеет номинальный выходной ток 4,0 А.

При соединении этого же двигателя в «треугольник» с питанием 220 В номинальный ток составит 7,3А, а преобразователь частоты рассчитан на 7,0А. Следовательно, как при питании 380В, так и при 220В указанный двигатель необходимо подключать к частотному преобразователю мощностью на ступень выше (2,2кВт):

Благодаря частотному преобразователю есть возможность подключать двигатели с «нестандартным» питанием к промышленной сети 220 или 380В. При этом главное, чтобы номинальное напряжение питания двигателя не превышало питание ПЧ, а номинальная частота поддерживалась ПЧ.

Например, машинка для стрижки овец МСУ-200 питается от переменного напряжения 36В частотой 200Гц. Для работы с такой машинкой в настройках преобразователя частоты задается номинальное напряжение питания двигателя — 36В и номинальная частота двигателя — 200Гц.

Несмотря на мощность электродвигателя 115Вт, рабочий ток составляет около 3А. Кроме номинального тока двигателя необходимо учитывать амплитуду, частоту и длительность возможных перегрузок. В моменты перегрузок ток указанной машинки может доходить до 7А.

Частотный преобразователь ELHART EMD-MINI выдерживает перегрузку 150% от номинального тока в течение 60 секунд; EMD-PUMP – 120% в течение 60 секунд.

Следовательно, номинальный ток ПЧ должен быть не менее 7 ÷ 150% = 4,7А. Для подключения к сети 220В выбираем преобразователь частоты ELHART EMD-MINI – 007S (0,75кВт, 5А, 220В). Для подключения к сети 380В выбираем ПЧ ELHART EMD-MINI – 022T (2,2кВт, 5А, 380В).

Обратите внимание: при небольшом запасе по току в данном примере, мощности ПЧ в 6 и 20 раз больше мощности соответствующего двигателя!

2.3 Выбор между векторным и вольт-частотным режимом управления

По режиму управления частотные преобразователи можно разделить на вольт-частотные и векторные. Рассмотрим особенности работы этих режимов.

Вольт-частотный (или скалярный) режим управления ПЧ

• Поддерживает постоянной величину магнитного поля статора при заданной частоте (отношение напряжения питания к частоте постоянно). Это значит, что при различных скоростях номинальный момент на валу двигателя останется неизменным. Есть особенности работы на низких частотах. Подробности расписаны в разделе «Возможный диапазон регулировки частоты вращения двигателя с помощью ПЧ»;
• Скорость вращения двигателя зависит от приложенной нагрузки: при увеличении нагрузки двигатель замедляется, при уменьшении — ускоряется. При постоянной нагрузке скорость вращения не изменяется;
• Позволяет работать с несколькими двигателями одновременно (для работы с несколькими двигателями необходимо обеспечить дополнительную защиту по току для каждого двигателя).

Векторный режим управления ПЧ:

• поддерживает постоянную скорость вращения при изменяющихся нагрузках (за счет автоматической регулировки выходного напряжения);
• более стабильно работает при низких частотах (за счет компенсации падения напряжения в обмотках двигателя).

Особенности работы векторного режима:

• возможно изменение скорости вращения при постоянной нагрузке в пределах 2Гц (вследствие поиска оптимального напряжения). Это нормально и не является неисправностью;
• возможна работа только с одним двигателем (не поддерживает многодвигательный режим);
• работает корректно, если правильно введены паспортные данные двигателя и успешно прошло его автотестирование.

И вольт-частотный и векторный режимы управления при наличии встроенного ПИД-регулятора способны точно поддерживать технологический параметр по датчику обратной связи (скорость, давление, влажность, температуру и другие).

Как правило, для большинства применений достаточно использования вольт-частотного режима. Такими применениями являются насосы, вентиляторы, конвейеры, деревообрабатывающие станки, высокоскоростные шпиндели фрезерных станков, простые куттеры, прессы, упаковочные станки, фасовочные аппараты, дозаторы, компрессоры и другое оборудование.

Векторный режим обычно применяется при работе с подъемно-транспортными механизмами, на дробилках, буровом оборудовании и другими нагрузками, где требуется высокий момент в области низких частот и при запуске, а также нет четкой зависимости момента нагрузки от скорости вращения.

2.4 Поддерживаемые способы управления преобразователем частоты

Так как преобразователь частоты обычно устанавливается в шкаф управления, то для доступа к встроенной панели необходимо каждый раз открывать дверь шкафа (в случае работы в пыльном производстве — мука, пыль, цемент — частое открытие двери недопустимо). Кроме того, часто преобразователь устанавливается рядом с двигателем, а пульт оператора находится в стороне.

С помощью выносного пульта управления EMD-Mini — RCP (не входит в комплект поставки) можно реализовать дистанционное управление преобразователем частоты EMD-Mini на расстоянии до 2 метров. Выносной пульт имеет абсолютно те же функции и возможности, что и панель управления на самом частотном преобразователе.

В частотных преобразователях ELHART серии EMD-PUMP встроенный пульт является съемным и имеет возможность выноса с помощью входящего в комплект двухметрового кабеля.

Для дистанционного управления пуском и остановом двигателя с помощью кнопок и переключателей необходимы дискретные входы.

Наличие аналогового входа позволяет дистанционно осуществлять плавную регулировку оборотов с помощью потенциометра или аналогового сигнала 0. 10В/4. 20мА. Совместно со встроенным ПИД-регулятором аналоговый вход позволяет непрерывно поддерживать значение технологического параметра (давление, расход, температура и т. д.)

Наличие интерфейса RS-485 либо RS-232 позволяет подключиться к верхнему уровню АСУТП.

Программный режим позволяет изменять скорость и направление вращения по заранее заданной программе.

2.5 Подбор частотного преобразователя для насоса

Отдельное внимание стоит уделить частотным преобразователям насосной серии. От остальных преобразователей их отличает заложенный алгоритм работы с несколькими двигателями. А именно: чередование двигателей и каскадный режим. Режим чередования применяется для равномерного износа двигателей. Каскадный режим применяется, когда необходимо с помощью одного частотного регулятора управлять несколькими насосами. Особенность каскадного режима заключается в том, что частотный преобразователь небольшой мощности способен регулировать производительность или давление в широком диапазоне, включая в работу минимально необходимое количество насосов. Преобразователи частоты ELHART EMD-PUMP могут управлять группой от 2 до 7 насосов. Возможна работа с насосами разной мощности, в таком случае мощность ПЧ определяется наиболее мощным насосом.

2.6 Дополнительное оборудование

В некоторых случаях при использовании преобразователя частоты может потребоваться установка дополнительного оборудования:

необходим для рассеивания энергии, поступающей в ПЧ от двигателя, который работает в генераторном режиме. Тормозной резистор используется для обеспечения быстрой остановки или замедления двигателя (особенно с высокоинерционными нагрузками), при работе с подъемно-транспортными механизмами (краны, лифты, наклонные транспортеры, подъемники), высокоинерционными применениями (дымососы, центрифуги, рольганги, тягодутьевые механизмы, транспортные тележки), в применениях, где важна точность позиционирования. устанавливается при расстоянии между двигателем и преобразователем более 30м; защищает двигатель от импульсных токов, уменьшает помехи, ограничивает амплитуды тока короткого замыкания, снижает скорость нарастания тока КЗ и, как следствие, улучшает защиту преобразователя от КЗ. подключается ко входу преобразователя и является двухсторонним буфером между сетью электроснабжения и преобразователем частоты. Защищает от пиковых скачков напряжения в сети. Установка сетевого дросселя рекомендуется при нестабильных параметрах сети (пульсация, провалы напряжения), при перекосе фаз более 3%, если мощность источника питания (распределительного трансформатора) более 500 кВА и превышает в шесть и более раз мощность преобразователя или если длина кабеля между источником питания и ПЧ менее 10м. Использование сетевых дросселей значительно повышает срок службы и надежность работы частотных преобразователей.

3. Диапазон регулирования скорости вращения двигателя при использовании преобразователя частоты

3.1 Использование ПЧ для уменьшения скорости вращения двигателя

Для работы на низких частотах (ниже 10-15 Гц) необходимо особое внимание уделить охлаждению двигателя и моменту на валу.

Электродвигатель закрытого типа с вентиляторным охлаждением (TEFC) имеет охлаждение только за счет встроенного вентилятора. Производительность вентилятора охлаждения уменьшается пропорционально скорости вращения двигателя. При занижении оборотов двигателя эффективность охлаждения снижается, что приводит к перегреву двигателя и возможному выходу из строя.

Существует несколько вариантов охлаждения электродвигателя при работе на низких частотах:

• сократить период непрерывной работы двигателя на низкой частоте
• организовать дополнительное охлаждение;
• уменьшить нагрузку на валу двигателя;
• установить понижающий редуктор, что позволит повысить обороты двигателя;
• использовать двигатель большего типоразмера.

Вольт-частотный метод регулирования позволяет сохранять постоянный момент на валу двигателя при различных скоростях. При работе на низких частотах (ниже 5-10 Гц) момент на валу будет зависеть от характеристики конкретного двигателя (активного сопротивления обмоток). Для сохранения момента на частотах ниже 5-10 Гц может потребоваться корректировка минимального напряжения кривой U / f. Увеличение значения напряжения вызовет увеличение пускового момента, но также приведет к увеличению потребляемого тока, а пропорционально увеличению протекающего тока усиливается нагрев. Рекомендуемый диапазон регулирования частоты при вольт-частотном управлении: 5-50 Гц. Преобразователь частоты ELHART EMD-MINI поддерживает регулировку частоты от 0,5 до 999,9 Гц.

Векторный метод регулирования способен более точно поддерживать момент при низких частотах (особенно при изменяющейся нагрузке). Диапазон возможной регулировки шире, чем у вольт-частотного режима и зависит от конкретной модели (фирмы, серии) ПЧ. Для векторного управления рекомендовано использовать преобразователи частоты Delta Electronics серии VFD-E и VFD-C.

Для увеличения пускового момента рекомендуется использовать частотный преобразователь большей мощности (так как преобразователь может обеспечить двигатель только полуторократным током (номинальный ток × перегрузочную способность ПЧ).

3.2 Использование ПЧ для увеличения скорости вращения двигателя

Преобразователь частоты можно использовать для увеличения скорости вращения двигателя выше номинальной. При этом важно учесть, что при увеличении частоты выше номинальной, момент (Т) уменьшается пропорционально квадрату отношения напряжение/частота. При частоте f = 70 Гц момент на валу уменьшается в 2 раза T = 0,5 × T_ном; при частоте f = 100 Гц момент уменьшается в 4 раза T = 0,25 × T_ном. Следовательно, увеличивается риск перегрузки двигателя. Кроме того, увеличивается нагрузка на подшипники.

Преобразователи частоты. 12 важных вопросов при выборе и установке

Преобразователи частоты (ПЧ) — один из основных элементов комплексных решений для энергетических и промышленных проектов. Современные частотные преобразователи — это продукт высоких технологий, они выпускаются с применением новейших разработок и способны не только управлять скоростью вращения электродвигателя, но и защищать электропривод от преждевременного выхода из строя, обеспечивать контроль множества параметров во время его работы. Грамотно выбрать преобразователь частоты, сориентировавшись в многообразии предложений — задача сложная и ответственная, ведь от принятого решения зависит стабильность производственных процессов. Разобраться со всеми тонкостями выбора поможет эта статья.

Часть 1. Зачем нужен преобразователь частоты?

Частотный преобразователь — незаменимое оборудование в любой сфере, где используются электродвигатели. Он обеспечивает плавный пуск, непрерывное автоматическое регулирование скорости и момента во время работы, а также множество других параметров работы электродвигателя. В ряде применений преобразователи обеспечивают снижение потребления электроэнергии до 50 %. Современные ПЧ с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) способны снижать пусковые токи в среднем в 4-5 раз и выдерживать перегрузки до 200 %.

На сегодняшний день в интернете можно найти большое количество рекомендаций и советов по подбору ПЧ, однако в большинстве случаев они являются общими, неконкретными и никак не применимыми на практике. Как же сориентироваться в огромном количестве критериев и выбрать подходящее оборудование? Рекомендации дают специалисты IEK GROUP, одного из ведущих российских производителей и поставщиков электротехнического оборудования: Артем Мошечков (ведущий инженер) и Петр Ивлев (специалист по техническому обучению Академии IEK GROUP).

— Зачем устанавливать и использовать преобразователь частоты?

— Есть задача: выбрать и купить преобразователь частоты. С чего начать?

Чтобы подобрать нужный вариант ПЧ, необходимо прежде всего определиться: для каких именно целей выбирается оборудование, какие конкретные задачи оно должно выполнять. Разумеется, необходимо знать условия эксплуатации и основные характеристики электродвигателя, для управления которым необходим ПЧ.

Современные серии преобразователей частоты включают до нескольких десятков моделей. Например, в линейке CONTROL-L620 IEK®, выведенной на рынок нашей компанией в 2017 году, представлено оборудование от 0,75 до 560 киловатт. В семействе CONTROL-А310 IEK® диапазон мощностей — до 22 киловатт, при этом уже с 11 киловатт есть возможность изготовить преобразователь со встроенным дросселем постоянного тока, что продлевает срок службы преобразователя. Номинальные напряжения — 220 и 380 В.

Такой бренд, как ONI ® , предлагает сразу четыре марки частотных преобразователей: ONI-А400, ONI-М680, ONI-A650 и ONI-К800 — в диапазоне мощностей от 0,4 до 132 кВт.

— Мощность, номинальный ток, напряжение питающей сети: как сориентироваться в этих параметрах?

• Мощность ПЧ должна быть равна мощности двигателя либо превышать ее. В случаях «тяжелого» применения, с высокими пусковыми нагрузками, допускается, чтобы мощность преобразователя была выше на одну, реже — на две ступени. Современные преобразователи частоты имеют большой диапазон мощности. Опять же обратимся к конкретным примерам оборудования: в линейке серии CONTROL-A310 представлены модели с мощностью от 0,4 до 22 кВт в режиме HD и от 0,75 до 22 кВт в режиме ND. Преобразователи частоты CONTROL-L620 поддерживают мощность в режиме HD от 0,75 до 500 кВт, в режиме ND — от 1,5 до 560 кВт. Есть и более узкий разбег: например, ПЧ линейки ONI-А400 работают в пределах мощности от 0,2 до 3,7 кВт.
• Следующий критерий — номинальный ток. Электропривод не работает в идеальном режиме — всегда есть вероятность изменений динамических нагрузок на валу или превышения значений номинального тока. Поэтому наряду с мощностью при выборе ПЧ обращают внимание на номинальный ток электродвигателя и преобразователя частоты. Рабочее значение данного параметра у ПЧ берется либо с запасом относительно номинального тока двигателя, либо номинал в номинал. Это делается для того, чтобы обезопасить электропривод от возможных перегрузок.
• Если говорить о напряжении питающей сети, то самыми распространенными моделями, которые используются на производстве, в ЖКХ и прочих сферах народного хозяйства, являются преобразователи напряжения 220 и 380 В. Напомню: значение данного параметра питающей сети и электродвигателя должно быть одинаковым.

— Какой преобразователь частоты лучше — однофазный или трехфазный?

На вход инвертора такого ПЧ подается однофазное напряжение соответствующей сети, которое на выходе формируется в трехфазное с частотой от 0 до 400 и выше Гц. Таким образом, при помощи однофазного ПЧ можно подключить обычный асинхронный трехфазный двигатель к однофазной сети. Для этого требуется подключить двигатель к преобразователю, правильно скоммутировав обмотки двигателя (на напряжение 220 В). Такие преобразователи частоты есть в семействе ONI — это серия А400, которая предназначена для управления асинхронными двигателями в системах небольшой мощности, но с большими перегрузками.

Трехфазные преобразователи частоты более распространены. Они преобразуют напряжение трехфазной промышленной сети и регулируют большое количество параметров электродвигателя. Примеры оборудования:

• CONTROL-A310 IEK ® ,
• CONTROL-L620 IEK ® ,
• ONI-А400,
• ONI-М680,
• ONI-A650,
• ONI-К800.

Часть 2. Нюансы

— Как правильно подобрать диапазон регулирования частоты и какой способ управления выбрать?

О способах управления

В интернете много теоретической информации о том, какой вариант лучше. На самом деле основывать свой выбор надо не на оценках метода управления, а на области применения преобразователя частоты. В оборудовании, которое работает с кранами, подъемными механизмами или протяжными станками используется векторный способ. В насосах и вентиляторах, то есть в тех механизмах, где скорость практически не меняется, обычно используется скалярный. Оба этих метода решают одну задачу: регулировки скорости и изменения момента.

— Что такое ПИД-регулятор, управляющие входы/выходы, и насколько это важно?

Самый простой пример его использования: требуется поддерживать постоянное давление в трубе 5 Бар. ПЧ считывает сигналы с датчиков, а ПИД-регулятор за счёт математических алгоритмов обеспечивает необходимый режим работы ПЧ.

ПЧ считывает сигналы с датчиков, а ПИД-регулятор за счёт математических алгоритмов обеспечивает необходимый режим его работы

Что касается входов и выходов

Сегодня большинство преобразователей частоты имеют в базовой комплектации аналоговые и цифровые входы/выходы, последовательный интерфейс и т.д. Такой набор функций позволяет интегрировать ПЧ в большинство автоматических систем, без ограничений в выборе способов управления преобразователем.

• Дискретное (цифровое) управление считается самым простым, данные входы используются для передачи основных команд: пуск или остановка электропривода, регулирование скорости, переключение между режимами работы ПЧ. Такие выходы сообщают о неисправностях, достижениях заданных пределов по частоте и току, дают команды на включение ведомых электроприводов и т.д. На один дискретный вход можно задать необходимую функцию, выбрав из более чем нескольких десятков.
• Аналоговое управление решает другие задачи. Например, обеспечивает плавное регулирование. Также данный способ управления позволяет проводить постоянный мониторинг и контролировать состояние необходимых параметров системы. Сигналы поступают на вход ПЧ с соответствующих датчиков.
• Управление по последовательному интерфейсу используется для построения сложной автоматизированной системы. Данный способ позволяет управлять сразу несколькими преобразователями частоты, причем они могут находиться далеко друг от друга. Такой способ значительно сокращает число проводов, одновременно увеличивая возможности передачи информации. Наиболее универсальным и, соответственно, популярным и надежным интерфейсом (протоколом) для подключения к ПЧ на сегодняшний день считается Modbus (RS485).

— На что еще стоит обратить внимание, выбирая преобразователь частоты?

В некоторых линейках есть возможность использования стандартной витой пары UTP кат. 5e для выносного монтажа идущей в комплекте панели управления, что позволяет максимально упростить и до 10 раз удешевить монтаж панели управления по сравнению с преобразователями, использующими специальные коммутационные шлейфы.

Обращайте внимание на условия эксплуатации: например, если необходимо, чтобы преобразователь частоты безотказно работал при высокой влажности, стоит рассмотреть серию CONTROL-L620 IEK ® — данное оборудование без дополнительного охлаждения можно эксплуатировать при относительной влажности до 95 % и температуре от -10 до +40 °C. А специальное покрытие плат, в соответствии с промышленными стандартами, позволяет применять эти преобразователи в тяжелых условиях.

Обязательно поинтересуйтесь, какие силовые ключи используются при сборе ПЧ — одними из самых надежных являются IGBT производства компании Infineon. Они позволяют существенно повысить надёжность и отказоустойчивость оборудования.

Система управления частотным преобразователем должна быть интуитивно понятной, функциональной, вариативной. В передовых моделях, например, таких как серия ONI-M680, источником управляющего сигнала может быть кнопочная панель, промышленная сеть, цифровые входы и импульсный вход. Имеется возможность подключения исполнительных устройств, датчиков, программируемых логических контроллеров. Некоторые входы и выходы способны функционировать в различных режимах.

И, разумеется, важны сертификация, гарантия производителя. Если говорить о тех сериях, на основе которых мы разбирали принципы работы ПЧ, то у линейки CONTROL IEK ® расчетный срок службы составляет 7 лет, гарантия — два года. Все преобразователи, выпускающиеся под этой маркой, имеют сертификаты соответствия ГОСТ. Аналогичные показатели у частотных преобразователей семейства ONI ® .

Часть 3. Особенности применения ПЧ для различного оборудования

— Преобразователь частоты для насосного оборудования: что он дает?

Для решения этих задач требуется обеспечить плавный пуск насосов и плавное же изменение частоты вращения электродвигателя. Причем диапазон значений должен быть достаточно широк: во время пиковой нагрузки электропривод работает на номинальных оборотах, обеспечивая необходимый расход воды. При малом разборе поддерживается в рабочем состоянии, потребляя тот минимум электроэнергии, который необходим в данный момент. Также в сфере ЖКХ с помощью ПЧ возможно создание автоматизированной каскадной системы насосов, когда, в зависимости от разбора воды в жилых домах, работает один насос или, например, три. С помощью специальных функций преобразователь частоты позволяет экономить электроэнергию — это происходит за счет автоматической остановки работающего насоса при отсутствии расхода воды в системе.

С этой задачей справятся ПЧ следующих серий: CONTROL-A310 IEK ® , CONTROL-L620 IEK ® , ONI-А400, ONI-M680. Однако наиболее удачным выбором станет преобразователь частоты ONI-A650, разработанный специально для применения в системах вентиляции и насосных установках. Уже в базовой конфигурации он содержит специальную плату каскадного управления насосами, что позволяет объединить до 5 насосов в единый каскад.

Мнение: Преобразователь частоты ONI-К800 был применен в приводе насоса системы водоснабжения и в приводе конвейера. Зарекомендовал себя с положительной стороны. При настройке и в ходе эксплуатации легко монтировались силовые и контрольные кабели, преобразователь просто настраивался с лицевой панели. Обладает большим функционалом защит, большим количеством входов-выходов.
Начальник отдела ЭМП АО «Уралгипромез» Д.Н. Томашевский.

— Какие преобразователи частоты подойдут для грузоподъемных механизмов (крановое оборудование, лебёдки)?

Преобразователи частоты для электродвигателей грузоподъемных механизмов позволяют организовать надежное управление электроприводом при подъеме и опускании груза, поворотах стрелки, обеспечивая вертикальное и горизонтальное перемещение без раскачивания, с различными скоростями, таким образом гарантируя максимальную производительность.

В зависимости от модели крана, это могут быть следующие виды частотных преобразователей:

• для обеспечения плавного перемещения крана можно порекомендовать серии CONTROL-L620 IEK ® , ONI-M680 и ONI-K800;
• для надежной работы лебёдки подъёма, в зависимости от задачи, подойдут М680 и К800.

— Как преобразователь частоты работает в случае с транспортерным и конвейерным оборудованием?

Использование преобразователей частоты с электродвигателями конвейеров и транспортеров позволяет не просто автоматизировать запуск, регулирование скорости и остановки ленты, но и создавать более сложные алгоритмы работы оборудования (зависит от выбранной модели ПЧ и подключенных датчиков).

Мнение: Преобразователь частоты CONTROL-L620 IEK ® номинальной мощностью 5.5 был установлен на подающем конвейере в установке № 2 для сушки травяной муки. Режим работы преобразователя — круглосуточный «старт-стоп». Оборудование зарекомендовало себя с положительной стороны. Во время тестирования все функции работали в заявленном штатном режиме, замечаний во время эксплуатации выявлено не было.
Заместитель генерального директора по IT ПАО «Птицефабрика Боровская» С.М. Солкин.

— Есть ли смысл использовать преобразователи частоты для вентиляторного оборудования?

Можно порекомендовать к установке на вентиляторное оборудование преобразователи частоты следующих серий: ONI-A650, CONTROL-A310 IEK ® , CONTROL-L620 IEK ® , ONI-A400.

— «Тяжелый» или «нормальный» режим работы преобразователя частоты — какой выбрать?

В режиме ND величина вращающего момента постоянна, независимо от скорости вращения двигателя. В частности, таким образом работают насосы.

Тяжелый режим (НD) характеризуется нагрузкой с переменным вращающим моментом — как в случае с экструдерами, конвейерами или компрессорами. При этом существуют частотные преобразователи, которые поддерживают сразу два указанных режима, что позволяет экономить бюджет при проектировании различных систем. Например, преобразователи частоты IEK ® серий CONTROL-A310 и L-620 могут работать как в ND-режиме, так и в режиме HD. Также оба режима поддерживают ПЧ ONI-М680.