Як вибрати частотний перетворювач для електродвигунів (з прикладами)

Вступ

Попередня стаття була закінчена 10 пунктами, на які необхідно звертати увагу при виборі перетворювача частоти. Ми розглянемо основні з них детальніше і продемонструємо вибір перетворювача частоти на конкретних прикладах.

У цій статті Ви отримаєте відповіді на такі поширені запитання:

1. Як підібрати потужність частотного перетворювача?
2. Як правильно підібрати частотник до електричного двигуна?

Окрім вибору конкретного типу частотнику, ми розберемо основні необхідні компоненти та периферійне обладнання частотних перетворювачів, щоб ознайомити з необхідностю та особливостями його застосування.

Тут будуть описані такі питання:

1. Як підключити частотник?
2. Який автоматичний вимикач захистить частотний перетворювач?
3. Що таке вхідний/вихідний реактор і для чого він потрібен?
4. Навіщо встановлювати вхідний/вихідний EMC-фільтр?

Перелічені пункти здебільшого не враховуються користувачами при виборі частотних перетворювачів. А це, в свою чергу, веде до неналежної роботи або виходу обладнання з ладу.

Як вибрати частотник для токарного верстату, насосу та конвеєру?

Для практичного прикладу візьмемо 3 завдання із двигунами однакової потужності, тож описуватимо як підібрати частотник для:

1. Привод шпинделя токарного верстата потужністю 11 кВт і частотою 3000 об/хв.
2. Насос з електромотором потужністю 11 кВт та частотою 1500 об/хв.
3. Привод крокового конвеєра-дозатора (встановленого на тензометричних датчиках) з електромотором потужністю 11 кВт і частотою 750 об/хв. На конвеєрі необхідно забезпечити високу точність позиціонування при великому навантаженні та інерційності (конвеєр працює в режимі старт/стоп).

Як вибрати перетворювач частоти за параметрами двигуна?

Перші пункти, які ми розглядаємо при виборі частотника: тип двигуна, напруга живлення двигуна, струм двигуна та потужність.

Враховуємо тип двигуна та напругу живлення

У всіх 3-х наших випадках маємо трифазні двигуни з короткозамкненим ротором з напругою живлення 380 В. Тобто нам необхідні частотні перетворювачі з 3-фазним живленням 380 В та вихідною напругою 380 В.

Враховуємо струм двигуна та потужність

1. Для мотора 11 кВт і частотою 3000 об/хв номінальний струм становить 21,2 А. Відношення пускового струму до номінального до 7,5.
2. Для мотора 11 кВт і частотою 1500 об/хв номінальний струм становить 23,2 А. Відношення пускового струму до номінального до 7,5.
3. Для мотора 11 кВт і частотою 750 об/хв номінальний струм становить 25,5 А. Відношення пускового струму до номінального до 6,5.

Номінальний вихідний струм перетворювачів частоти потужністю 11 кВт становить 25 А. Ця інформація взята із технічної документації. Крім співвідношення струму двигуна та вихідного струму частотника необхідно враховувати момент (зовнішнє навантаження) на валу двигуна під час пуску.

Так як пусковий струм двигуна значно вищий за номінальний, то при великому початковому зовнішньому опорі обертанню ротора, струм у двигуні встигне значно перевищити допустимий струм частотного перетворювача. Також на вибір перетворювача потужністю впливає час розгону електродвигуна.

У цій таблиці наведено гранично допустимі співвідношення часу розгону, зовнішнього моменту на валу мотора при запуску та кількість циклів розгону/гальмування на годину. Тобто якщо за струмом вам підходить частотник на 11 кВт, але один із даних периметрів перевищений, Вам необхідно вибрати потужніший частотний перетворювач.

Якщо пусковий момент становить від 70% номінального моменту і вище, необхідно вибрати частотний перетворювач на типорозмір більше.

Номінальний момент електромотора розраховується за формулою:

• де M — момент на валу Н⋅м,
• P — потужність двигуна в кВт,
• n — швидкість обертання об/хв.

У нашому випадку номінальні моменти двигунів становитимуть: 35, 70 і 140 Нм.

1. Для шпинделя токарного верстата навряд чи пусковий момент буде перевищувати 70% від 35 Нм, тому основне навантаження на шпиндель відбувається в момент різання, коли мотор вже розігнався. Тобто для цього завдання ми можемо вибрати частотний перетворювач потужністю 11 кВт.
2. Дня насоса бажано враховувати момент інерції робочого колеса, якщо його вага та діаметр досить великі, це може спричинити підвищений пусковий струм. M = ((P 9550) / n) (30 / π * J) де π – математична константа. J – момент інерції на валу Для врахування моменту інерції маси наведеної до валу двигуна скористайтеся цією формулою. Для прикладу. Якщо маса робочого колеса насоса складе 150 кг при діаметрі 1 метр, номінальний момент двигуна впаде до 17,8 Нм. Що однозначно призведе до підвищеного пускового струму, а значить нам необхідно вибрати частотник потужністю не менше 15кВт та номінальним вихідним струмом 32 А.
3. Для конвеєра, номінальний струм двигуна конвеєра перевищує номінальний струм перетворювача частоти на 11 кВт, як і в завданні сказано, що конвеєр працює у режимі старт/стоп, тобто. частота запусків буде висока, що при достатньому навантаженні на конвеєрі буде призводити до відключення перетворювача частоти перевантаження. Значить для цього завдання, нам також необхідний перетворювач потужністю не менше 15 кВт.

Векторний чи скалярний частотний перетворювач?

Виберіть перетворювач, який забезпечує необхідний рівень контролю частоти обертання, швидкості розгону та гальмування, точності підтримки моменту та інших параметрів двигуна відповідно до вимог вашого завдання.

1. Привід шпинделя токарного верстата. Одним із важливих аспектів його роботи є точність підтримки обертів при змінному навантаженні на валу. Ті коли відбувається обробка та навантаження на двигуні різко та значно змінюється, але обороти двигуна не повинні падати. Таку роботу двигуна може реалізувати частотний перетворювач з векторним управлінням. Так як зазвичай до таких завдань не пред'являються вимоги щодо надточної підтримки швидкості, можна використовувати частотний перетворювач без зворотного зв'язку по енкодеру. Так в таких завданнях часто використовується енкодер, але він часто встановлений на шпинделі і передає інформацію в систему ЧПУ для контролю швидкості обертання, але не в частотник.
2. Привід насосу. Часто під час роботи насосів немає різких перехідних процесів, насос різко змінює свою швидкість і основне завдання насосів з частотним регулюванням підтримання тиску води у заданому діапазоні. З такими завданнями легко справляються частотні скалярні перетворювачі.
3. Привід конвеєра. Відповідно до ТЗ до точності позиціонування конвеєра пред'являються підвищені вимоги за умови роботи з великим навантаженням та високою інерційністю. В даному випадку бажано використовувати векторний частотний перетворювач здавачем зворотного зв'язку — енкодером встановленому на моторі.

Додаткового устаткування до перетворювача частоти. Критерії вибору

Для початку перерахуємо все додаткове обладнання, яке ставиться перед частотним перетворювачем та його призначення.

Автоматичний вимикач

На вході перетворювача частоти необхідний захисту від перевантажень і коротких замикань в електричної мережі. У разі виникнення таких проблем автоматичний вимикач швидко відключить вхідне живлення, що допоможе запобігти пошкодженню обладнання та забезпечить безпеку для персоналу. Крім того, автоматичний вимикач може використовуватися для швидкого відключення електродвигуна у разі необхідності ремонту або технічного обслуговування.

Вхідний дросель (іноді також називається лінійним реактором)

На частотному перетворювачі використовується для обмеження струму в момент пуску та зменшення високочастотних перешкод на вході перетворювача та лінії живлення.

При пуску частотного перетворювача індукційне навантаження (зупинений електромотор) може виникати високий пік струму, який небезпечний для компонентів перетворювача і електричної системи в цілому. Вхідний дросель обмежує цей пік, що знижує навантаження на компоненти перетворювача та дозволяє зменшити переріз проводів та потужність запобіжних елементів.

Вхідний дросель також допомагає знизити високочастотні перешкоди, які можуть бути створені частотним перетворювачем та передаватись по лінії живлення. Ці перешкоди можуть негативно впливати на інші електричні пристрої, підключені до тієї ж мережі, і викликати спотворення сигналу. Вхідний дросель зменшує ці перешкоди, покращуючи якість електроживлення.

Однак використання вхідного дроселя може збільшити падіння напруги на лінії живлення та знизити ККД системи. Тому його використання має бути обґрунтовано, і частотний перетворювач має бути правильно налаштований для роботи з дроселем. Вхідний дросель зазвичай рекомендується використовувати у випадку, коли довжина лінії живлення перевищує 50 метрів або коли існує висока ймовірність перешкод, а також при закусці моторів більше 30 кВт або високонавантажених моторів з великим стартовим моментом.

Вхідний EMC-фільтр

Цей пристрій призначений для зниження електромагнітних перешкод в електричних мережах. Коли частотний перетворювач підключається до електромережі, він може генерувати сильні перешкоди у вигляді високочастотних сигналів, які можуть поширюватися по мережі і вплинути на роботу інших пристроїв, підключених до цієї мережі. Ці перешкоди можуть бути не лише небажаними, а й незаконними.

EMC-фільтр на вході в частотний перетворювач дозволяє знизити електромагнітні перешкоди, які генерує частотний перетворювач, до рівня, що відповідає нормам та вимогам електромагнітної сумісності (EMC). Завдяки цьому інші пристрої, підключені до електричної мережі, не будуть зазнавати небажаних електромагнітних перешкод, що гарантує надійну роботу всієї системи. Наприклад, якщо ви виробник обладнання та плануєте продавати обладнання в ЄС або інші західні країни, вам необхідно встановлювати перед частотними перетворювачами EMC-фільтри.

Чим відрізняється реактор на вході перетворювача частоти від фільтра EMC?

Реактор на вході перетворювача частоти та EMC-фільтр (електромагнітний фільтр) – це два різних електричних компоненти, що виконують різні функції.

Реактор — це компонент, який встановлюється на вході частотного перетворювача для зниження пікового струму та покращення стабільності напруги. Реактор обмежує швидкість зміни струму, що дозволяє плавніше запускати двигун і зменшує навантаження на електричну мережу.

EMC-фільтр, з іншого боку, призначений для усунення перешкод, створюваних частотним перетворювачем. Електроніка всередині перетворювача частоти може генерувати перешкоди та шум, які розповсюджуються через електричну мережу. EMC-фільтр зменшує цю перешкоду до рівня, що відповідає стандартам безпеки та електромагнітної сумісності.

Таким чином, реактор на вході перетворювача частоти EMC-фільтр виконують різні функції і можуть застосовуватися разом або окремо, залежно від вимог до установки.

Як вибрати автоматичний вимикач для перетворювача частоти?

Автоматичний вимикач ставимо обов'язково та завжди! Струм автоматичного вимикача підбирається по номінальному вхідному струму частотного перетворювача.

Номінальний вхідний струм перетворювача на 11 кВт становить 26 А, а 15 кВт — 35 А.

Перед перетворювачем частоти обов'язково встановлювати автоматичний вимикач з час-струмовою (вимикаючою) характеристикою типу Z. Ці автоматичні вимикачі спеціально розроблені для захисту напівпровідникових приладів. Решта автоматичних вимикачів (типу B, C та інші) не здатні захистити частотний перетворювач.

Ми розгорнуто розкриємо цю тему в окремій статті про автоматичні вимикачі, а поки радимо враховувати — всі автомати окрім класу Z при застосувані перед частотником не корисніше за звичайний рубильник, який Ви вимкнете після того, як згорить ваш перетворювач частоти, тому що їх параметри струмів відключення та швидкодії лежать далеко за межами згоряння електроніки в перетворювачі.

Так для 3-х фазного перетворювача на 11 кВт з максимальним вхідним струмом 26 А ми виберемо 3-х полюсний автоматичний вимикач типу Z на 25 А, а для 15 кВт з максимальним струмом 35 А автоматичний вимикач типу Z на 32 А.

У багатьох виникає питання: "Чому не 32 та 40 Ампера?"

Усі автоматичні вимикачі мають умовний струм не розчеплення, який становить 1,13 від номінального струму автомата. І в нашому випадку він становить 28,25 А та 36,16 А. Тобто при максимальному вхідному струмі перетворювач який становить 26 і 35 ампер відповідно вони нормально працюватимуть.

З іншого боку гранично допустиме перевантаження перетворювача частоти по струму становить 150% протягом 60-ти секунд і 180% протягом 3х секунд для векторних і 120% протягом 60 секунд і 150% протягом 3 секунд для скалярних.

Тобто, обравши автоматичний вимикач з меншою чутливістю або більшого номіналу, ми просто не можемо забезпечити своєчасне відключення живлення при перевантаженні перетворювача.

Для першого завдання ми будемо використовувати 3-х полюсні автомати типу Z на 25 Ампер для завдань з насосом і конвеєром такий же автомат на 32 Ампери.

Як вибрати вхідний реактор (вхідний дросель) перетворювача частоти?

1. У задачі з приводом шпинделя верстата – якщо це верстат із ЧПУ, поряд із перетворювачем буде встановлена система управління на яку можуть впливати просідання напруги в мережі живлення при запуску шпинделя. Особливо це може бути виражено, якщо перетин підведеного проводу занижений або у нього велика довжина. Оскільки потужність мотора не висока, то в даній ситуації можна порекомендувати спочатку не встановлювати вхідний дросель і тільки якщо при запуску або зміні швидкості шпинделя відбуватимуться збої в роботі ЧПУ, тоді встановити реактор. Подібні проблеми часто присутні у старих системах ЧПУ з аналоговим керуванням приводами.
2. У задачі з насосом не потрібно встановлювати реактор тому що запуски не будуть частими, а довкола даного обладнання не знаходиться чутлива електроніка.
3. У задачі з конвеєром ситуація протилежна — конвеєр працює в режимі стоп/старт, в обладнанні використовуються тензометричні датчики і блоки перетворення, які дуже чутливі до перешкод. Тому для даної задачі бажано одразу встановити вхідний реактор.

Коли встановлювати вхідний EMC-фільтр перетворювача частоти?

EMC-фільтр прибирає більш високочастотний шум, який дуже впливає на точну електроніку. У зв'язку з цим у випадках 1 та 3 бажано встановити EMC-фільтри (особливо в задачі з конвеєром). Особливо якщо це обладнання поставлятиметься за кордон і проходитиме контроль на електромагнітну сумісність.

У задачі з насосом через відсутність точної електроніки поруч в установці EMC-фільтра немає потреби.

У наступній статті ми продовжимо опис вибору периферійного обладнання перетворювачів частоти, а також будуть надані відповіді на наступні питання:

• Навіщо потрібен гальмівний резистор?
• Навіщо потрібен синусний фільтр?
• Де встановлюється частотний перетворювач?
• Хто має право підключати перетворювач частоти?