Що таке частотний перетворювач, для чого потрібний, як вибрати?

Що таке частотний перетворювач?

Частотні перетворювачі (або частотники) - це електронні пристрої, що використовуються для зміни швидкості та обертового моменту асинхронних електродвигунів. Зазвичай вони використовуються в системах автоматичного керування, включаючи промислові та комерційні системи, такі як насоси, вентилятори, компресори, конвеєри та інші.

Як працює перетворювач частоти?

Частотний перетворювач працює за допомогою подання змінених частоти та напруги живлення на двигун, що дозволяє контролювати швидкість і крутний момент обертання. Частотник може бути використаний для збільшення або зменшення швидкості обертання двигуна в залежності від вимог процесу.

Для правильної роботи частотник для двигуна необхідно враховувати кілька факторів: тип двигуна, його потужність, номінальну частоту та напругу, а також необхідний діапазон швидкостей. Крім того, необхідно забезпечити правильне настроювання параметрів частотного перетворювача та підбір оптимальних налаштувань залежно від конкретних умов експлуатації.

Переваги частотних перетворювачів

Однією з головних переваг використання частотних перетворювачів є можливість значного зниження енергоспоживання у процесі експлуатації, що дозволяє значно знизити витрати на енергію. Крім того, використання перетворювача частоти також може покращити точність контролю процесів та знизити знос та пошкодження обладнання.

Частотні перетворювачі мають кілька переваг, які роблять їх більш ефективними та зручними для використання порівняно з іншими методами керування двигунами.

1. Енергоефективність: Однією з основних переваг використання частотних перетворювачів є їхня здатність забезпечувати енергоефективність. При використанні частотного перетворювача можна регулювати швидкість обертання двигуна, що дозволяє знизити споживання електроенергії та покращити енергоефективність.
2. Регулювання швидкості: частотники забезпечують регулювання швидкості обертання мотора, що робить їх ідеальним вибором для застосувань, де потрібна зміна швидкості обертання (наприклад для налаштування процесів або зниження зносу обладнання). Регулювання швидкості дозволяє точно налаштовувати швидкість обертання мотора та підтримувати її на постійному рівні, що збільшує точність та якість роботи процесу.
3. Збільшення терміну експлуатації двигуна: Використання частотних перетворювачів також може збільшити термін служби двигуна. Це пов'язано з тим, що перетворювач частоти може допомогти зменшити навантаження на двигун, знизити тертя і зношування, що може призвести до більш тривалого терміну служби.

Якими електродвигунами можна керувати за допомогою частотного перетворювача?

Є велика кількість типів електродвигунів, якими можна керувати, використовуючи перетворювачі частоти різних типів:

• Асинхронні (індукційні) двигуни із короткозамкненим ротором,
• Асинхронні двигуни із зовнішнім ротором,
• Синхронні двигуни.

Все, що буде написано в цій статті, стосуватиметься трьох найбільш поширених типів асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором.

Однофазні асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором та напругою живлення 220 В

Для керування цим типом двигуна використовуються частотник для однофазного двигуна серії SPLC-NZE потужністю від 0.75 до 3.7 кВт, який може працювати лише в скалярному режимі.

Трифазні асинхронні двигуни зі з'єднанням фаз трикутником, короткозамкненим ротором та напругою живлення на вході 220В

Управління цим типом двигунів можливе у векторному та скалярному режимах. Тип керування електромотором залежить від завдання, яке стоїть і серії перетворювача.

Частотні перетворювачі 220В з виходом 3 фази серій SPLC-ESD, SPLC-ESD2 та SPLC-NLP1000 забезпечать скалярне керування двигуном. Серія частотних перетворювачів SPLC-AT20 забезпечить векторне керування.

Трифазні асинхронні двигуни зі з'єднанням фаз зіркою з короткозамкненим ротором та напругою живлення 380В

Управління цим типом моторів також можливе у векторному та скалярному режимі.

Якщо у вас мережа 220В та необхідно запустити 3-фазний двигун з напругою живлення 380В, то Вам підходить частотний перетворювач 220/380 серії SPLC-NZ2200.

Якщо у вас є мережа 380В та необхідно скалярне керування двигуном, то Вам підходить перетворювач частоти серії SPLC-NLP1000.

Якщо у вас є мережа 380В і вам необхідно векторне керування двигуном розгляньте покупку серій SPLC-AT20 або SPLC-NZ8400.

Які бувають перетворювачі частоти?

Перетворювачі частоти — це частото-регульовані приводи (VFDs)? які використовуються для керування швидкістю та крутним моментом електродвигунів. Вони працюють за допомогою перетворення вхідної потужності змінного струму у потужність постійного струму, а потім назад в потужність змінного струму зі змінною частотою і напругою для регулювання швидкості обертання двигуна.

Існує три основних типи перетворювачів частоти: скалярні (V/F), векторні (FOC) і з прямим керуванням обертовим моментом (DTC). Кожен тип має свої сильні та слабкі сторони, тож вибір перетворювача залежить від конкретного застосування та типу двигуна.

Скалярні перетворювачі частоти (V/F)

Перетворювачі V/F, також відомі як скалярні перетворювачі, є найпростішим та найпоширенішим типом перетворювачів частоти. Вони працюють, підтримуючи фіксоване відношення напруги до частоти, яку зазвичай називають «відношенням V/F». При зміні частоти напруга регулюється пропорційно підтримки співвідношення V/F.

Скалярні частотні перетворювачі зазвичай використовуються зі стандартними трифазними асинхронними двигунами, що мають постійний обертовий момент. Вони добре підходять для застосувань, де контроль швидкості не має вирішального значення (наприклад, вентилятори, насоси та конвеєри).

На нашому сайті кілька типів частотних перетворювачів, які можуть працювати у скалярному режимі:

1. Серія SPLC-ESD — економний частотний перетворювач серії для 3-фазних двигунів малої потужності від 0.2 до 1.1 кВт.
2. Серія SPLC-NLP1000 — перетворювач частоти для 3-фазних двигунів з потужністю двигуна до 220 кВт.
3. Серія SPLC-AT20 — перетворювач частоти для 3-фазних двигунів з потужністю двигуна до 280 кВт, який може працювати в режимах як з векторним, так і зі скалярним управлінням.

Векторні перетворювачі частоти

Векторні перетворювачі також відомі як перетворювачі з керуванням по полю (FOC). Вони більш досконалі ніж скалярні, бо використовують складніший алгоритм управління, який враховує магнітне поле двигуна і положення ротора. Це дозволяє більш точно контролювати швидкість і обертовий момент двигуна, а ще робить їх добре пристосованими для застосувань, де вимагається високопродуктивне управління швидкістю: верстати, компресори, крани, робототехніка та будь-які інші застосування, де потрібна точна підтримка частоти обертання.

Векторні перетворювачі в свою чергу поділяються на 2 типи:

1. Бездатчикове векторне управління (SFVC)
2. Векторне управління у замкнутому контурі (CLVC)

Бездатчикове векторне управління (SFVC)

Це метод управління асинхронним двигуном, який використовує математичну модель для контролю за моментом і швидкістю двигуна. Він ґрунтується на вимірюванні струму та напруги, а також на обчисленні частоти та потужності мотора, щоб визначити його швидкість та положення ротора. У цьому методі не потрібно використання датчиків вимірювання положення ротора, що робить його більш економічним та зручним у встановленні. Натомість, SFVC використовує математичні алгоритми для обчислення положення ротора, визначаючи його на основі виміряних параметрів. Перевагою методу SFVC є можливість досягнення високої точності підтримання моменту та швидкості асинхронного двигуна. Крім того, цей метод також забезпечує більш плавний пуск та зупинку двигуна, а також покращену ефективність та економію енергії.

Підтримуючі частотні перетворювачі (SFVC) використовуються для керування конвеєрами, компресорами, шпинделями верстатів та в інших завданнях де допустима стабільність підтримки частоти обертання в межах +/-0,5% від заданого значення.

Бездатчикове векторне управління реалізовано у серіях SPLC-AT20 та SPLC-NZ8400.

Векторне управління у замкнутому контурі (CLVC)

Режим керування асинхронним двигуном із закритою петлею векторного контролю (CLVC) — це метод, який використовує інформацію зворотного зв'язку від датчиків для точного контролю швидкість та положення ротора двигуна.

CLVC забезпечує більш точне управління швидкістю і крутним моментом, ніж SFVC, оскільки він використовує датчики зворотного зв'язку, енкодери, які вимірюють швидкість та положення ротора. Це дозволяє контролеру керувати швидкістю мотора з високою точністю, забезпечуючи м'який пуск та зупинку, а також точний контроль положення ротора, що може бути важливим для деяких застосувань. Даний тип частотних перетворювачів використовується на волочильних верстатах, поліграфічному устаткуванні, машинах з вимогою підвищеної точності для підтримки швидкості і крутного моменту. Алгоритм CLVC забезпечує стабільність підтримки частоти обертання в межах +/-0,02% заданого значення.

Векторне управління у замкнутому контурі (CLVC) також реалізовано у серії SPLC-NZ8400. При використанні даного перетворювач комплектується додатковою платою зворотного зв'язку та енкодером, які замовляються окремо.

Перетворювачі прямого керування крутним моментом (DTC)

Перетворювачі з безпосереднім управлінням обертовим моментом (DTC) є найбільш досконалим типом перетворювачів частоти. Вони використовують прогнозуючий алгоритм для розрахунку необхідної напруги та частоти для двигуна на основі бажаного крутного моменту та швидкості.

Перетворювачі DTC забезпечують найбільш точне управління швидкістю і обертовим моментом двигуна, що робить їх добре придатними для додатків, що вимагають високоточного управління — наприклад, друкарські машини, екструдери, кранове і текстильне обладнання. Однак вони також є найскладнішим і найдорожчим типом перетворювача.

Алгоритм управління крутним моментом електродвигуна реалізований у серії частотних перетворювачів SPLC-NZ8400. Точність підтримки моменту становить ±5%. Високу точність підтримки та розвитку моменту, особливо на низьких частотах, забезпечує частотний перетворючач для кранів серії SPLC-CV20, який в режимі роботи зі зворотним зв'язком по енкодеру забезпечує стартовий обертовий момент до 180% і точність підтримки моменту ±3%.

На точність роботи цієї системи більше впливає якість електродвигуна. Якщо у вашому завданні дуже важлива точна підтримка обертового моменту, то розгляньте можливість застосування сервомотора. Даний тип моторів значно краще впорається із завданнями підтримки заданого крутного моменту.

Що відбувається з крутним моментом асинхронного двигуна при використанні частотного перетворювача?

Крутний момент є дуже важливим аспектом роботи перетворювача частоти і, на жаль, він часто не враховується при виборі частотника.

Крутний момент асинхронного двигуна та скалярний частотний перетворювач

При скалярному перетворенні частоти крутний момент асинхронного двигуна пропорційний квадрату напруги живлення і обернено пропорційний частоті. Це означає, що якщо частота зменшується, то обертальний момент також зменшується.

З практичної точки зору це означає, що якщо швидкість двигуна необхідно зменшити, необхідно також зменшити частоту живлення, що подається на двигун. Однак при зниженні частоти крутний момент двигуна також буде зменшуватися. Це зниження крутного моменту може викликати такі проблеми, як знижене регулювання швидкості і можлива зупинка двигуна при занадто великому навантаженні.

Щоб компенсувати це зниження обертального моменту скалярний перетворювач частоти часто збільшує напругу, що подається на двигун, у міру зниження частоти. Ця функція називається буст. Вона допомагає підтримувати доступний крутний момент і запобігає зупинці двигуна. Однак метод має обмеження і може не підходити для застосувань з високими вимогами до пускового обертального моменту або для випадків, коли навантаження сильно варіюється. У цих випадках можуть виявитися більш відповідними векторні частоти перетворювачі.

Що відбувається з крутним моментом асинхронного двигуна на низьких частотах, якщо використовується векторний частотний перетворювач?

При векторному управлінні крутний момент асинхронного двигуна може підтримуватись на низьких частотах без збільшення напруги живлення, як це відбувається в скалярному управлінні. Це досягається шляхом зворотного зв'язку з ротором, що дозволяє точно визначити положення ротора та його швидкість.

Таким чином, на низьких частотах векторний перетворювач частоти може забезпечувати високий обертальний момент, що дозволяє використовувати асинхронні двигуни в додатках з високими вимогами до моменту при пуску або при роботі з високими навантаженнями.

Для цього векторний перетворювач використовує два способи керування: керування струмом і керування напругою. Управління струмом дозволяє точно контролювати струми статора і ротора, що дозволяє точно визначати положення ротора і його швидкість. Керування напругою дозволяє точно контролювати напругу на статорі і підтримувати його на необхідному рівні для забезпечення необхідного крутного моменту.

Таким чином, векторний частотний перетворювач дозволяє отримати високу точність підтримки заданої швидкості і крутного моменту, що робить його ефективним рішенням для багатьох додатків.

Тобто якщо вам потрібно істотно знизити швидкість обертання асинхронного двигуна, але при цьому велике зниження моменту не припустимо, вам необхідно вибрати векторний частотний перетворювач.

Як вибрати частотний перетворювач?

У статті "Як вибрати частотний перетворювач?" із серії статей про частотні перетворювачі наведено низку прикладів, що допоможуть вам більш усвідомлено визначитися з вибором. Нижче наведено найважливіші параметри, на які слід звернути увагу:

1. Потужність: необхідно вибирати перетворювач із потужністю, достатньою для роботи з вибраним мотором.. Тут потрібно звернути увагу на умови запуску двигуна. Якщо пусковий момент дуже великий, можливо, доведеться обирати частотник більшої потужності.
2. Напруга: перетворювач має бути сумісним із напругою електроживлення в системі. Ви можете вибрати частотник з живленням від 1Ф/220В до 3Ф/380В.
3. Струм: необхідно вибрати перетворювач зі струмом, достатнім для роботи з мотором. Інформацію про струм двигуна можна взяти з його таблички, а допустимий струм частотного перетворювача з його документації.
4. Тип двигуна: необхідно вибрати перетворювач, сумісний з типом двигуна, який буде використовуватися в системі.. Ви можете використовувати частотники для керування однофазними та трифазними моторами з живленням 220В та 380В.
5. Контроль: виберіть перетворювач, який забезпечує необхідний рівень контролю частоти обертання, положення та інших параметрів двигуна відповідно до вимог програми. Тут ви повинні вирішити, в якому діапазоні частот обертання ви будете використовувати електродвигун, які вимоги до точності підтримки швидкості і обертального моменту ви пред'являєте. І згідно цим вимогам вирішити, який тип частотника вам необхідний: скалярний, векторний без датчиків зворотного зв'язку або з датчиками зворотного зв'язку.
6. Яке додаткове обладнання для підключення частоти перетворювача вам необхідно. На цьому етапі вам необхідно вирішити, чи потрібен вам вхідний та вихідний дросель, EMC фільтри, гальмівний резистор та дросель постійного струму.
7. Комунікація: якщо система має бути підключена до інших пристроїв, необхідно вибрати перетворювач із відповідними опціями комунікації. Ви повинні визначитися з типами вхідних та вихідних сигналів керування. Це можуть бути дискретні та аналогові вхідні та вихідні сигнали. Також вибрати тип комунікаційного протоколу. На даний момент наші НП підтримують такі протоколи: Modbus (стандартно), Profibus-DP (опція), CANlink (опція), CAN (опція).
8. Встановлення: виберіть перетворювач, який відповідає вимогам місця встановлення та може бути встановлений без додаткової модифікації системи. Більшість перетворювачів частоти мають ступінь захисту IP20, що вимагає обов'язкової установки перетворювачів в електрошафу, бажано з примусовою вентиляцією. Але також існують спеціалізовані частотники зі ступенем захисту IP65, наприклад серія SPLC-NZS, які допускають відкриту установку НП з потраплянням на нього бризок води.
9. Технічна підтримка: виберіть виробника, який може надати належну технічну підтримку, консультації та після продажний сервіс.

   Отримайте технічну підтримку

   Кваліфіковані інженери з автоматизації ПП "Specialist" нададуть Вам необхідну консультацію щодо вибору, встановлення та налаштування частотного перетворювача. Ми також допоможемо підібрати необхідне периферійне обладнання та провести ремонт вашого перетворювача.

   Телефонуйте безкоштовно по Україні

   +38 0800 210 317
10. Ціна: виберіть перетворювач, який відповідає бюджету проекту, але не жертвуйте якістю та надійністю заради нижчої ціни.