Преобразователи частоты

Преобразователи частоты

Асинхронные двигатели трехфазного тока, принцип действия которых основан на использовании вращающегося магнитного поля, - это самый популярный на сегодняшний день способ преобразования электрической энергии переменного тока в механическую. Наиболее серьезная техническая проблема, связанная с применением этих двигателей – это плавное и точное изменение скорости вращения ротора. Наибольшие затруднения возникают в момент каких-либо пиковых нагрузок и, особенно, при запуске двигателя. Ведь чтобы раскрутить инертный ротор требуются пусковые токи в 5-7 (а иногда и более) раз превышающие рабочие значения. Это отрицательно сказывается как на состоянии двигателя, так и на электросетях. Наиболее удачным решением в данном случае является комплектация асинхронного двигателя преобразователем частоты — прибором, предназначенным для преобразования частоты переменного тока (напряжения).

Виды преобразователей частоты

Несмотря на разнообразие технологических решений, предлагаемых современными производителями, по сути все они используют только два метода управления частотным преобразователем и два принципа организации его силовой части.

Управление преобразователем частоты может быть векторным либо скалярным.

Скалярный принцип основан на упорядоченном изменении одновременно амплитуды и частоты приложенного к двигателю напряжения. Обычно фиксируется перегрузочная способность двигателя: отношение наибольшего момента двигателя к моменту сопротивления на валу. В этом случае номинальный коэффициент мощности и КПД двигателя при любой частоте вращения практически не меняются.

Векторный принцип заключается в непосредственном управлении вращающим моментом двигателя, который определяется током статора. Поэтому, помимо прочего, меняется и фаза статорного тока, то есть его направление, вектор. Такой принцип управления реализовать значительно сложнее, чем предыдущий: требуется знать точное положение ротора в любой момент времени, для чего необходим датчик обратной связи либо достаточно быстрый расчет момента на валу. Зато это позволяет значительно увеличить диапазон (до 1:1000 и выше) и точность (сотые доли процента) регулирования, повысить быстродействие прибора.

Силовой агрегат частотного преобразователя может иметь либо не иметь промежуточное звено постоянного тока.

Преобразователь частоты с непосредственной связью представляет собой управляемый выпрямитель. При этом частота выходного напряжения не может превышать ту, что имеет питающая сеть, т.е. от 0 до 30 Гц. Это серьезно ограничивает диапазон изменения частоты вращения двигателя (не более 1:10). Поэтому сегодня практически повсеместно используются преобразователи со звеном постоянного тока.

В них входное синусоидальное напряжение выпрямляется, фильтруется, сглаживается, а затем преобразуется в переменное напряжение инвертором при помощи метода широтно-импульсной модуляции, причем в этот момент может быть задана любая частота и амплитуда. Платой за такое двойное преобразование становится снижение КПД, а сам прибор обычно несколько больше и тяжелее, чем аналогичный преобразователь с непосредственной связью.

Следует отметить, что так же, как в свое время большинство производителей предпочли преобразователи частоты со звеном постоянного тока, так и сегодня происходит практически массовый отказ от скалярного управления в пользу векторного. Скалярное управление можно найти, например, у агрегатов компании Moeller. Одни и те же модели преобразователей частоты Vacon могут иметь одновременно и векторное, и скалярное управление - по выбору пользователя. Фирма Schneider Electric, предлагающая, например, преобразователи серии Altivar (без роторных датчиков), остановилась на векторном управлении, а компания АВВ даже разработала фирменную технологию DTC, также позволяющую отказаться от роторных датчиков.

Область применения

Асинхронные двигатели — это «рабочие лошадки» современной промышленности, поэтому и преобразователи частоты применяются в самых разных областях. Чаще они востребованы в водо- и теплоснабжении (насосы дополнительной подкачки).

Использование частотного преобразователя позволяет сэкономить до 30% электроэнергии по сравнению с регулированием мощности заслонками. В среднем частотный преобразователь окупается за один год, а заодно можно забыть и о гидравлических ударах: пуск и остановка насоса происходят плавно.

Второй по частоте способ использования — в системах вентиляции и кондиционирования воздуха, в компрессорных установках. В этом случае экономия электроэнергии будет еще больше, поскольку для прямого пуска тяжелых вентиляторов необходимы двигатели повышенной мощности, а с преобразователем частоты можно использовать менее энергоемкий двигатель.

И, наконец - лифтовое оборудование и горизонтальные конвейеры: преобразователи частоты позволяют адаптировать скорость транспортера к технологическому процессу любого уровня сложности.

Выбор преобразователя частоты

При выборе конкретной модели необходимо учитывать особенности электродвигателя, в комплексе с которым будет работать преобразователь частоты: его тип (синхронный, асинхронный) и мощность; с какой точностью требуется регулировать момента вращения на валу двигателя и скорость, и насколько велик ее диапазон; какой выходной ток требуется обеспечить (каков номинальный ток электродвигателя).

Второй фактор, который необходимо учесть – особенности электросети, от которой будет запитан преобразователь – однофазная или трехфазная, а также напряжение в сети. Наконец, немаловажно, где и как будет использован преобразователь – к примеру, понадобится ли выносить пульт управления.

Зачастую точно подобрать преобразователь частоты вообще невозможно – все-таки асинхронные двигатели выпускает множество компаний, и многие агрегаты работают десятилетия, а преобразователи выпускаются, как правило, в расчете на усредненную стандартную мощность. В этом случае лучше ориентироваться на потребляемый электрический ток двигателя, а выходную мощность преобразователя можно подобрать и больше номинальной мощности двигателя.