Частотный преобразователь: подключение, принцип работы и как выбрать подходящий вариант

Частотный преобразователь (ЧП или частотник) – устройство, разработанное для регулировки частоты и напряжения тока, подаваемого на электродвигатель. Устанавливаемый перед двигателем, он подает на его обмотки напряжение ниже или выше сетевого, помогая изменять скорость вращения и значение крутящего момента, то есть силы, с которой двигатель может преодолевать сопротивление вращению. Отличие ЧП от инвертора (преобразователя напряжения) в том, что он незаменим для регулировки технологических процессов, тогда как инверторы используются только для автономных систем.

Преимущества использования

Полезность и эффективность:

• количество электроэнергии, потребляемой двигателем с установленным на нем ЧП, снижается в пределах от 10 до 30%;
• возможность поддержания постоянной (оптимальной) скорости вращения повышает производительность технологического цикла;
• улучшается процесс управления двигателем, позволяя автоматизировать работу оборудования;
• благодаря возможности контроля скорости вращения двигателя (и более плавному запуску) его износ замедляется и срок эксплуатации увеличивается;
• при использовании с вентиляторами и другим оборудованием, работающим с переменной скоростью, снижается уровень шума.

Особенно привлекательна инвестиционная составляющая – затраты на приобретение и установку ЧП окупаются в течение 1,5 лет, а срок его службы превышает два десятилетия.

Основные области применения

Наибольшее количество частотных преобразователей используется в составе технологических процессов в следующих отраслях экономики:

• на предприятиях нефтегазовой и химической промышленности для управления конвейерами, насосами, вентиляторами и другой техникой;
• на предприятиях горнодобывающей промышленности для управления работой шредеров, дробилок, шаровых мельниц;
• в целлюлозно-бумажном производстве для управления работой бумагоделательных машин, воздуходувов, сукноведущих валов;
• на предприятиях по металло- и деревообработке для управления работой станочного парка, включая токарные, фрезерные, сверлильные и волочильные станки;
• на транспорте (авиационном, ж/д) и предприятиях автопрома для управления электродвигателями;
• в строительной индустрии для управления скоростью электродвигателей на насосах, буровых установках, кранах, лифтах, системах вентиляции и т. д;
• в сфере энергетики для управления работой оборудования, установленного на ГЭС, АЭС или ВЭС;
• в сельском хозяйстве для управления электроприводами на системах вентиляции, полива и другом с/х оборудовании;
• в составе медприборов – на сканерах, магнитно-резонансных томографах;
• в процессе производства текстиля, пищевых продуктов и пр.

Принцип работы

Работа ЧП основана на своевременной выдаче на его выходе напряжения определенной амплитуды и частоты, способных поддерживать в обмотках статора требуемое значение магнитного потока. Поступающее на обмотки электродвигателя переменное напряжение тока преобразовывается в постоянное, после чего выполняется обратное преобразование постоянного напряжения в переменное с регулируемыми значениями напряжения и частоты. Появляется возможность регулировать не только скорость вращения электродвигателя, но и количество потребляемой им электроэнергии, а также момент силы. Более предметно этапы работы ЧП, использующего технологии IGBT (биполярного транзистора) и ШИМ (широтно-импульсной модуляции), можно представить следующим образом:

• выпрямление сетевого напряжения с использованием диодного моста;
• сглаживание напряжения конденсаторным фильтром;
• преобразование постоянного напряжения в трехфазное переменное с требуемыми параметрами с помощью транзисторов и микропроцессора;
• плавная регулировка частоты и напряжения тока, позволяющая изменять величину крутящего момента и скорость вращения двигателя.

Изменение значения частоты напряжения тока увеличивает скорость вращения вала двигателя с одновременным уменьшением величины вращательного момента.

Схема подключения

Основные элементы схемы подключения ЧП:

• источник электропитания;
• частотный преобразователь;
• электродвигатель;
• панель управления или программируемый логический контроллер (ПЛК).

Рекомендуется следующий порядок подключения:

• монтировать ЧП лучше в вертикальном положении на таком расстоянии от других предметов и приборов, чтобы ничто не мешало движению охлаждающего потока воздуха;
• провода преобразователя подсоединяются к соответствующим клеммам двигателя, с использованием данных, содержащихся в инструкции и маркировке;
• производится настройка параметров напряжения и частоты тока с учетом нужных характеристик крутящего момента и скорости двигателя;
• устанавливаются автоматические выключатели и другие защитные устройства для двигателя и ЧП.

ЧП можно монтировать не на двигатель, а вдали от него, но следует учитывать длину кабеля, в котором может проявиться эффект отражения.

Типы подключения

Для управления работой ЧП используются следующие типы подключения:

• однофазный по схеме «треугольник», когда конец обмотки одной фазы соединяют с началом другой;
• трехфазный с использованием схемы «звезда», когда соединяют между собой концы всех обмоток;
• внешнее управление с помощью аналоговых сигналов или таких протоколов связи, как Modbus или Ethernet, позволяющих использовать цифровую связь не только для управления, но и для обмена данными по нескольким устройствам.

Меры предосторожности при подключении частотного преобразователя

Для безопасного подключения ЧП к электродвигателю нужно придерживаться следующих правил:

• удостовериться в электромагнитной совместимости ЧП и двигателя, то есть в возможности их одновременной эксплуатации при воздействии электромагнитных помех;
• ЧП нужно при установке заземлять;
• использовать защиту от возможных перегрузок (по току – автоматы защиты или тепловые реле, от перегрева – термореле или иные устройства).

Как выбрать частотный преобразователь

Подбор ЧП должен осуществляться с учетом значения следующих параметров:

• мощность ЧП должна равняться или превышать мощность двигателя на 10-15%;
• напряжение источника тока и количество фаз должны соответствовать характеристикам ЧП;
• подбирать ЧП с нужным типом управления – скалярным (вольт-частотным), векторным или прямым управлением моментом;
• способен ли ЧП регулировать скоростной режим двигателя в нужном диапазоне – от 1:20 для скалярного режима, до 1:100 для векторного управления без обратной связи и до 1:1000 с обратной связью;
• наличие перегрузочной способности до значений в 100-150%;
• уточнить метод отвода тепла;
• возможна ли поддержка таких протоколов связи, как Profibus или Modbus;
• имеется ли встроенный ПЛК и панель оператора.

Условия эксплуатации

При использовании ЧП необходимо соблюдать следующие правила:

• рекомендуемый температурный режим – от +50 до -10 градусов Цельсия;
• уровень влажности – не более 90%;
• при невозможности установки ЧП в месте, защищенном от запыления, рекомендуется использовать шкафы с классом защиты от IP64 до IP68;
• использования вентиляции или других способов охлаждения ЧП обязательно;
• при установке ЧП вместе с тиристорным выпрямителем необходимо установить фильтр, сглаживающий пульсации.

Советы по эксплуатации и обслуживанию

Для безопасной эксплуатации ЧП рекомендуется следующий порядок действий:

• убедиться в правильной настройке параметров ЧП;
• регулярно осуществлять проверку контактов и их чистку;
• мониторить температурный режим;
• постоянно проверять журнал ошибок и логов.

Типичные ошибки при подборе и подключении ЧП

Негативное влияние на работу ЧП могут оказывать следующие ошибки:

• неправильное подключение фаз;
• несоответствие значений мощности ЧП и двигателя;
• невыполнение рекомендаций по созданию защитных функций;
• использование неэкранированных кабелей управления.

Заключение

Ошибки при приобретении и подключении частотного преобразователя могут значительно увеличить материальные затраты. Поэтому до начала приобретения нужно выбрать наиболее надежных производителей. Но наилучший вариант – обратиться за советом к специалисту, например, к представителю техподдержки нашей компании.