Как выбрать частотный преобразователь для электродвигателя (с примерами)

Введение

Предыдущая статья была окончена 10 пунктами, на которые необходимо обращать внимание при выборе преобразователя частоты. Мы рассмотрим основные из них более подробно и продемонстрируем выбор преобразователя частоты на конкретных примерах.

В этой статье Вы получите ответы на следующие часто задаваемые вопросы:

1. Как подобрать мощность частотного преобразователя?
2. Как правильно подобрать частотник к электрическому двигателю?

Кроме выбора конкретного типа частотника мы разберем основные необходимые компоненты и периферийное оборудование частотных преобразователей, чтобы ознакомить с необходимостью и особенностями его применения.

Здесь будут описаны следующие вопросы:

1. Как подключить частотник?
2. Какой автоматический выключатель защитит частотный преобразователь?
3. Что такое входной/исходящий реактор и для чего он нужен?
4. Зачем устанавливать входящий/исходящий EMC-фильтр?

Перечисленные пункты в основном не учитываются пользователями при выборе частотных преобразователей. А это, в свою очередь, ведет к ненадлежащей работе или выходу оборудования из строя.

Как выбрать частотник для токарного станка, насоса и конвейера?

Для практического примера возьмем 3 задания с двигателями одинаковой мощности и описывать как подобрать частотник для:

1. Привод шпинделя токарного станка мощностью 11 кВт и частотой 3000 об/мин.
2. Насос с электромотором мощностью 11 кВт и частотой 1500 об/мин.
3. Привод шагового конвейера-дозатора (установленного на тензометрических датчиках) с электромотором мощностью 11 кВт и частотой 750 об/мин. На конвейере необходимо обеспечить высокую точность позиционирования при большой нагрузке и инерционности (конвейер работает в режиме старт/стоп).

Как выбрать преобразователь частоты по параметрам двигателя?

Первые пункты мы рассматриваем при выборе частотника: тип двигателя, напряжение питания двигателя, ток двигателя и мощность.

Учитываем тип двигателя и напряжение питания

Во всех 3-х наших случаях есть трехфазные двигатели с короткозамкнутым ротором с напряжением питания 380 В. То есть нам необходимы частотные преобразователи с 3-фазным питанием 380 В и выходным напряжением 380 В.

Учитываем ток двигателя и мощность

1. Для двигателя 11 кВт и частотой 3000 об/мин номинальный ток составляет 21,2 А. Отношение пускового тока к номинальному к 7,5.
2. Для мотора 11 кВт и частотой 1500 об/мин номинальный ток составляет 23,2 А. Отношение пускового тока к номинальному к 7,5.
3. Для двигателя 11 кВт и частотой 750 об/мин номинальный ток составляет 25,5 А. Отношение пускового тока к номинальному к 6,5.

Номинальный выходной ток преобразователей частоты мощностью 11 кВт составляет 25 А. Эта информация взята из технической документации. Помимо соотношения тока двигателя и выходного тока частотника, необходимо учитывать момент (внешнюю нагрузку) на валу двигателя во время пуска.

Так как пусковой ток двигателя значительно выше номинального, то при большом начальном внешнем сопротивлении вращению ротора, ток в двигателе успеет значительно превысить допустимый ток частотного преобразователя. Также на выбор преобразователя мощностью влияет время разгона электродвигателя.

В этой таблице приведены предельно допустимые соотношения времени разгона, внешнего момента на валу двигателя при запуске и количество циклов разгона/торможения в час. То есть, если по току вам подходит частотник на 11 кВт, но один из данных периметров превышен, Вам необходимо выбрать более мощный частотный преобразователь.

Если пусковой момент составляет от 70% номинального момента и выше, то необходимо выбрать частотный преобразователь на типоразмер больше.

Номинальный момент электромотора рассчитывается по формуле:

• где M — момент на валу Н⋅м,
• P – мощность двигателя в кВт,
• n – скорость вращения об/мин.

В нашем случае номинальные моменты двигателей составят: 35, 70 и 140 Нм.

1. Для шпинделя токарного станка вряд ли пусковой момент будет превышать 70% от 35 Нм, поэтому основная нагрузка на шпиндель происходит в момент резки, когда мотор уже разогнался. То есть для этой задачи мы можем выбрать частотный преобразователь мощностью 11 кВт.
2. Дня насоса желательно учитывать момент инерции рабочего колеса, если его вес и диаметр достаточно велики, это может повлечь за собой повышенный пусковой ток. M = ((P 9550) / n) (30 / π * J) где π – математическая константа. J – момент инерции на вале Для учета момента инерции массы приведенной к валу двигателя воспользуйтесь этой формулой. Для примера. Если вес рабочего колеса насоса составит 150 кг при диаметре 1 метр, номинальный момент двигателя упадет до 17,8 Нм. Что однозначно приведет к повышенному пусковому току, а значит, нам необходимо выбрать частотник мощностью не менее 15кВт и номинальным выходным током 32 А.
3. Для конвейера, номинальный ток двигателя конвейера превышает номинальный ток преобразователя частоты на 11 кВт, как и в задании сказано, что конвейер работает в режиме старт/стоп, т.е. частота запусков будет высока, что при достаточной нагрузке на конвейере будет приводить к отключению преобразователя частоты перегрузки. Значит для этой задачи нам также необходим преобразователь мощностью не менее 15 кВт.

Векторный или скалярный частотный преобразователь?

Выберите преобразователь, обеспечивающий необходимый уровень контроля частоты вращения, скорости разгона и торможения, точности поддержания момента и других параметров двигателя в соответствии с требованиями вашего задания.

1. Привод шпинделя токарного станка. Одним из важных аспектов его работы является точность поддержания оборотов при изменяющейся нагрузке на валу. Те, когда происходит обработка и нагрузка на двигателе, резко и значительно меняется, но обороты двигателя не должны падать. Такую работу двигателя может реализовать частотный преобразователь с векторным управлением. Так как обычно к таким задачам не предъявляются требования по сверхточной поддержке скорости, можно использовать частотный преобразователь без обратной связи по энкодеру. Так в таких задачах часто используется энкодер, но он часто установлен на шпинделе и передает информацию в систему ЧПУ для контроля скорости вращения, но не в частотнике.
2. Привод насоса. Часто при работе насосов нет резких переходных процессов, насос резко изменяет свою скорость и основную задачу насосов с частотной регулировкой поддержания давления воды в заданном диапазоне. С такими задачами легко справляются частотные скалярные преобразователи.
3. Привод конвейера. В соответствии с ТС к точности позиционирования конвейера предъявляются повышенные требования при работе с большой нагрузкой и высокой инерционностью. В данном случае желательно использовать векторный частотный преобразователь сдатчиком обратной связи – энкодером установленном на моторе.

Дополнительное оборудование к преобразователю частоты. Критерии выбора

Для начала перечислим все дополнительное оборудование, которое ставится перед частотным преобразователем и назначением.

Автоматический выключатель

На входе преобразователя частоты необходим защита от перегрузок и коротких замыканий в электрической сети. В случае возникновения таких проблем автоматический выключатель быстро отключит входное питание, что предотвратит повреждение оборудования и обеспечит безопасность для персонала. Кроме того, автоматический выключатель может использоваться для быстрого отключения электродвигателя при необходимости ремонта или технического обслуживания.

Входной дроссель (иногда также называется линейным реактором)

На частотном преобразователе используется для ограничения тока в момент пуска и уменьшения высокочастотных помех на входе преобразователя и линии питания.

При пуске частотного преобразователя индукционная нагрузка (остановленный электромотор) может возникать высокий пик тока, опасный для компонентов преобразователя и электрической системы в целом. Входной дроссель ограничивает этот пик, что снижает нагрузку на компоненты преобразователя и позволяет снизить сечение проводов и мощность предохранительных элементов.

Входящий дроссель также помогает снизить высокочастотные помехи, которые могут быть созданы частотным преобразователем и передаваться по линии питания. Эти помехи могут отрицательно влиять на другие электрические устройства, подключенные к той же сети, и вызвать искажение сигнала. Входной дроссель уменьшает эти помехи, улучшая качество электропитания.

Однако использование входного дросселя может увеличить падение напряжения на линии питания и снизить КПД системы. Поэтому его использование должно быть обосновано, и частотный преобразователь должен быть правильно сконфигурирован для работы с дросселем. Входной дроссель обычно рекомендуется использовать в случае, когда длина линии питания превышает 50 метров или существует высокая вероятность помех, а также при закуске моторов более 30 кВт или высоконагруженных моторов с большим стартовым моментом.

Входящий EMC-фильтр

Данное устройство предназначено для понижения электромагнитных помех в электрических сетях. Когда частотный преобразователь подключается к сети, он может генерировать сильные помехи в виде высокочастотных сигналов, которые могут распространяться по сети и повлиять на работу других устройств, подключенных к сети. Эти препятствия могут быть не только нежелательными, но и незаконными.

EMC-фильтр на входе в частотный преобразователь позволяет снизить электромагнитные помехи, генерируемые частотным преобразователем, до уровня, соответствующего нормам и требованиям электромагнитной совместимости (EMC). Благодаря этому другие устройства, подключенные к электрической сети, не будут испытывать нежелательные электромагнитные помехи, что гарантирует надежную работу всей системы. Например, если вы производите оборудование и планируете продавать оборудование в ЕС или другие западные страны, вам необходимо устанавливать перед частотными преобразователями EMC-фильтры.

Чем отличается реактор на входе преобразователя частоты от фильтра EMC?

Реактор на входе преобразователя частоты и EMC-фильтр (электромагнитный фильтр) – это два разных электрических компонента, выполняющих различные функции.

Реактор – это компонент, устанавливаемый на входе частотного преобразователя для снижения пикового тока и улучшения стабильности напряжения. Реактор ограничивает скорость изменения тока, что позволяет более плавно запускать двигатель и уменьшает нагрузку на электрическую сеть.

EMC-фильтр, с другой стороны, предназначен для устранения помех, создаваемых частотным преобразователем. Электроника внутри преобразователя частоты может генерировать помехи и шум, распространяемые через сеть. EMC-фильтр уменьшает это препятствие до уровня, соответствующего стандартам безопасности и электромагнитной совместимости.

Таким образом, реактор на входе преобразователя частоты EMC-фильтр выполняют разные функции и могут применяться вместе или по отдельности, в зависимости от требований к установке.

Как выбрать автоматический выключатель преобразователя частоты?

Автоматический выключатель ставим обязательно и всегда! Ток автоматического выключателя подбирается по номинальному входному току частотного преобразователя.

Номинальный входной ток преобразователя на 11 кВт составляет 26 А, а 15 кВт – 35 А.

Перед преобразователем частоты обязательно устанавливать автоматический выключатель с время-токовой (выключающей) характеристикой типа Z . Эти автоматические выключатели специально разработаны для защиты полупроводниковых устройств. Остальные автоматические выключатели (типа B, C и другие) не способны защитить частотный преобразователь.

Мы развернуто раскроем эту тему в отдельной статье об автоматических выключателях, а пока советуем учитывать – все автоматы кроме класса Z при применении перед частотником не полезнее обычного рубильника, который Вы выключите после того, как сгорит ваш преобразователь частоты, потому что их параметры токов отключения и быстродействия лежат далеко за пределами сгорания электроники в преобразователе.

Так, для 3-х фазного преобразователя на 11 кВт с максимальным входным током 26 А мы выберем 3-х полюсный автоматический выключатель типа Z на 25 А, а для 15 кВт с максимальным током 35 А автоматический выключатель типа Z на 32 А.

У многих возникает вопрос: "Почему не 32 и 40 Ампера?"

Все автоматические выключатели имеют условный ток не расцепления, который составляет 1,13 от номинального тока автомата. И в нашем случае он составляет 28,25 А и 36,16 А. То есть при максимальном входном токе преобразователь который составляет 26 и 35 ампер соответственно они будут нормально работать.

Кроме того предельно допустимая перегрузка преобразователя частоты по току составляет 150% в течение 60 секунд и 180% в течение 3х секунд для векторных и 120% в течение 60 секунд и 150% в течение 3 секунд для скалярных.

То есть выбрав автоматический выключатель с меньшей чувствительностью или большего номинала, мы просто не можем обеспечить своевременное отключение питания при перегрузке преобразователя.

Для первой задачи мы будем использовать 3-х полюсные автоматы типа Z на 25 Ампер для задач с насосом и конвейером такой же автомат на 32 Ампера.

Как выбрать входной реактор (входной дроссель) преобразователя частоты?

1. В задаче с приводом шпинделя станка – если это станок с ЧПУ, наряду с преобразователем будет установлена ​​система управления, на которую могут влиять проседание напряжения в питающей сети при запуске шпинделя. Особенно это может быть выражено, если сечение подведенного провода занижено или у него большая длина. Поскольку мощность мотора не высока, то в данной ситуации можно порекомендовать сначала не устанавливать входной дроссель и только если при запуске или изменении скорости шпинделя будут сбои в работе ЧПУ, тогда установить реактор. Подобные проблемы часто находятся в старых системах ЧПУ с аналоговым управлением приводами.
2. В задаче с насосом не нужно устанавливать реактор потому, что запуски не будут частыми, а вокруг данного оборудования не находится чувствительная электроника.
3. В задаче с конвейером ситуация противоположная – конвейер работает в режиме стоп/старт, в оборудовании используются тензометрические датчики и блоки преобразования, очень чувствительные к помехам. Поэтому для данной задачи желательно сразу установить входной реактор.

Когда устанавливать входящий EMC-фильтр преобразователя частоты?

EMC-фильтр убирает более высокочастотный шум, который оказывает большое влияние на точную электронику. В этой связи в случаях 1 и 3 желательно установить EMC-фильтры (особенно в задаче с конвейером). Особенно, если это оборудование будет поставляться за границу и будет проходить контроль на электромагнитную совместимость.

В задаче с насосом из-за отсутствия точной электроники рядом в установке EMC-фильтра нет необходимости.

В следующей статье мы продолжим описание выбора периферийного оборудования преобразователей частоты, а также ответы на следующие вопросы:

• Зачем нужен тормозной резистор?
• Зачем нужен синусный фильтр?
• Где устанавливается частотный преобразователь?
• Кто имеет право подключать преобразователь частоты?