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

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

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.

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.

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.

Для примера сравним токи двигателей 1,5кВт с током ПЧ той же мощности ELHART EMD-MINI – 015 T (1,5кВт, 4А, 380В), ELHART EMD-MINI – 015 S (1,5кВт, 7А, 220В).

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):

• Преобразователь частоты ELHART EMD-MINI – 022 T (2,2кВт, 5А, 380В)
• Преобразователь частоты ELHART EMD-MINI – 022 S (2,2кВт, 11А, 220В)

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:

• Тормозной резистор 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.
• Моторный дроссель 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.
• Сетевой дроссель 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.

Инженер ООО «КИП-Сервис»
Рыбчинский М.Ю.