Преобразователи частоты системы управления асинхронного двигателя

THE FREQUENCY CONVERTERS CONTROL SYSTEM OF ASYNCHRONOUS MOTOR

Alexander Savchenko

student, Ryazan State Radiotechnical University, Russian Federation, Ryazan

Alexey Seleznev

student, Ryazan State Radiotechnical University, Russian Federation, Ryazan

Alexander Ulitenko

scientific director, Dr. Tech. sciences, associate professor, Ryazan State Radiotechnical University, Russian Federation, Ryazan

Аннотация. В работе рассматриваются частотные преобразователи для ассинхронных двигателей. Приводятся основные ообенности, принцип работы, основные элементы, подключение преобразователя частот.

Abstract. The paper deals with frequency converters for asynchronous motors. The main features, the principle of operation, the main elements, the connection of the frequency Converter are given.

Ключевые слова: преобразователь частоты, асинхронный двигатель, инвертор, выпрямление напряжения, фаза, цепи управления, сигналы управления.

Keywords: frequency converter, asynchronous motor, inverter, voltage rectification, phase, control circuit, control signals.

Огромное значение для современной промышленности имеют мощные асинхронные электродвигатели. Асинхронный двигатель существенно превосходит электрические машины других типов в производительности и мощности, однако не лишен характерных недостатков. Так, например, для контроля над скоростью вращения ротора прибор необходимо оснащать дополнительными элементами. То же самое и с пуском – пусковой ток асинхронного двигателя превышает значение номинального в 5-7 раз. Из-за этого возникают дополнительные ударные нагрузки, потери электроэнергии, что в совокупности лишь уменьшает срок работы агрегата. Для решения этих проблем в результате упорных исследований был создан класс специальных устройств, предназначенных для автоматического электронного контроля пусковых токов – частотные преобразователи.

Частотный преобразователь для электродвигателя уменьшает величину пусковых токов в 4-5 раз и не только осуществляет плавный запуск, но и управляет ротором путем регулировки напряжения и частоты. Использование прибора имеет и другие достоинства, он позволяет сэкономить до 50% электроэнергии при запуске и с его помощью обеспечивается обратная связь смежных приводов.Фактически это не преобразователь, а генератор трехфазного напряжения необходимой величины и частоты [1].

Преобразователи частоты нередко называются инверторами. Их основной принцип действия заключается в выпрямлении переменного напряжения промышленной сети. Для этого применяются выпрямительные диоды, объединенные в общий блок. Фильтрация тока осуществляется конденсаторами с высокой емкостью, которые снижают до минимума пульсации поступающего напряжения.

В некоторых случаях в схему может быть включена так называемая цепь слива энергии, состоящая из транзистора и резистора с большой мощностью рассеивания. Данная схема применяется в режиме торможения, чтобы погасить напряжение, генерируемое электродвигателем. Таким образом, предотвращается перезарядка конденсаторов и преждевременный выход их из строя [2].

Частотый преобразователь состоит из следующих элементов (рис. 1):

1. мост постоянного тока выступает в качестве выпрямителя, именно он проводит преобразование, к примеру, промышленного тока с генератора в постоянный;
2. инвертор проводит создание переменного тока, при этом, есть возможность контролировать частоту и амплитуду;
3. тиристоры или транзисторы, которые обеспечивают подачу рабочего тока к электродвигателю, они выступают в качестве электрических ключей;
4. микропроцессор установленный в управляющей части, который проводит управление работой установленных ключей, также, микропроцессор выполняет ряд других задач: проводит защиту системы, контролирует выходные параметры, диагностирует состояние подаваемого тока.

Рисунок. 1. Принцип частотного регулирования

Многие построены на основе двойного преобразования.

Можно выделить два основных класса:

1. с созданием промежуточного звена;
2. с образованием непосредственной связи.

Эти два класса имеют свои особенности, которые определяют возможность и целесообразность их использования тех или в иных условиях.

Непосредственная связь (рис. 2)обуславливается тем, что преобразователь представлен выпрямителем управляемого типа. Используемая система управления проводит отпирание группы тиристоров и также проводит подвод напряжения к обмотке электродвигателя. В данном случае, напряжение преобразуется путем вырезания синусоид из входного тока. Проведенные измерения показывают, что получаемая частота находится в приблизительном промежутке от 0 до 30 Гц. Использовать подобный вариант исполнения нельзя в регулируемых приводах. Для того, чтобы использовать незапираемые тиристоры, нужно организовывать сложные системы управления, которые значительно повышают стоимость создаваемой цепи.

Рисунок. 2. Принцип частотного регулирования с обратной связью

При выходе синусоида с непосредственной связью, приводит к следующему:

• появление гармоник;
• происходят потери в самом электродвигателе;
• происходит перегрев электродвигателя;
• значительно снижается показатель момента.
• создаются сильные помехи.

Кроме этого, компенсаторы значительно повышают стоимость цепи, ее габариты и вес. Включение дополнительного элемента в цепь также приводит к уменьшению показателя КПД из-за возникающих потерь [3].

Современные цепи питания часто создаются при использовании преобразователя, который имеет промежуточное звено. В данном случае, проводится процедура, предусматривающая двойное преобразование электрического тока:

1. Изначально, входное напряжение синусоидального типа с неизменной частотой и амплитудой преобразуется при помощи выпрямителя.
2. Используются специальные фильтры, которые сглаживают показатели.
3. Инвертор на выходе проводит преобразование энергии с изменяемым показателем амплитуды и частоты.

Как правило, процедура двойного преобразования приводит к значительному снижению показателя КПД, вследствие чего также ухудшаются показатели соотношения массы и габаритов.

В промышленном исполнении можно встретить два основных типа частотных преобразователей:

1. Специальные;
2. универсальные.

Специальный частотный преобразователь для асинхронного двигателя, схема которого несколько отличается от универсального, изготавливается под конкретное оборудование по конкретным потребностям. Как правило, это очень урезанные версии, не способные на работу с любым оборудованием.

Универсальные частотные инвертера могут работать, как и в специальном оборудовании, так и во всех остальных вариантах применения. На то они и универсальные, что их можно настраивать и программировать под любые нужды.

Провести подключение преобразователя частоты можно различными схемами. Все зависит от того, с какой целью рассматриваемый элемент включается в сеть, к примеру, для более легкого старта или регулировки частоты вращения.

Довольно простой схемой подключения частотника можно назвать размещение устройства автоматического выключения перед ним. Подобное устройство должно быть адоптировано для работы с током, величина его должна составлять величину номинального показателя потребляемого тока электродвигателя.

Стоит отметить, что многие модели частотных преобразователей могут работать с трехфазной сетью, поэтому можно выбрать обычный трехфазный автомат. На момент возникновения короткого замыкания, одна из фаз проводит обесточивание других. Если же преобразователь частоты рассчитан на однофазную сеть, стоит выбрать выключатель, который рассчитан на утроенный ток одной фазы. Частотные преобразователи рассчитаны исключительно на прямое включение в сеть. Дальнейшая работа по подключению заключается в присоединении фазных проводов к определенным клеммам электродвигателя. Также, проводится включение внешнего тормозного резистора в цепь. Кроме этого, в сеть можно включить вольтметр для измерения напряжения в цепи на выходе после преобразователя [4].

На рис. 3 приведен рекомендуемый вариант подключения преобразователя частоты при наличии различных цепей и сигналов управления.

Рисунок. 3. Пример подключения силовых цепей и цепей управления преобразователя частоты

Можно выделить следующие типы сигналов:

1. аналоговые – сигналы напряжения или тока (0-10 В, 0/4-20 мА), значение которых меняется медленно или редко, обычно это сигналы управления или измерения;
2. дискретные сигналы напряжения или тока (0-10 В, 0/4-20 мА), которые могут принимать только два редко изменяющихся значения (высокое или низкое);
3. цифровые (данные) – сигналы напряжения (0-5 В, 0-10 В), которые меняются быстро и с высокой частотой, обычно это сигналы портов RS232, RS485 и т.п.;
4. релейные – контакты реле (0-220 В переменного тока) могут включать индуктивные токи в зависимости от подключенной нагрузки (внешние реле, лампы, клапаны, тормозные устройства и т.д.).

В результате использования частотных преобразователей, асинхронные двигатели успешно заменяют электроприводы постоянного тока, имеющие серьезные недостатки. Несмотря на простоту регулировки, они считаются ненадежными и дорогими в эксплуатации. В процессе работы постоянно искрят щетки, а электроэрозия приводит к износу коллектора. Двигатели постоянного тока совершенно не подходят для взрывоопасной и запыленной среды. В отличие от них, асинхронные двигатели значительно проще по своему устройству и надежнее, благодаря отсутствию подвижных контактов. Они более компактные и дешевые в эксплуатации. К основному недостатку можно отнести сложную регулировку скорости вращения традиционными способами. Для этого было необходимо изменять питающее напряжение и вводить дополнительные сопротивления в цепь обмоток. Кроме того, применялись и другие способы, которые на практике оказывались неэкономичными и не обеспечивали качественной регулировки скорости. Но, после того как появился преобразователь частоты для асинхронного двигателя, позволяющий плавно регулировать скорость в широком диапазоне, все проблемы разрешились. Одновременно с частотой изменяется и подводимое напряжение, что позволяет увеличить КПД и коэффициент мощности электродвигателя. Все это позволяет получить высокие энергетические показатели асинхронных двигателей, продлить срок их эксплуатации [5].