Частотный регулятор для асинхронного двигателя – устройство и принцип работы

Частотный регулятор для асинхронного двигателя – устройство и принцип работы

Электродвигатели

Есть в электроустановках позиции, когда без электродвигателя, работающего на постоянном токе, не обойтись. Именно этот электромотор можно регулировать по скорости вращения ротора, что и требуется в электроустановках. Правда, у него масса недостатков, и одни из них – это быстрый износ щеток, если их установка была проведена с искривлением, да и срок их эксплуатации достаточно низок. При износе происходит искрение, поэтому такой движок во взрывоопасных и запыленных помещениях использовать нельзя. Плюс ко всему электродвигатель постоянного тока стоит дорого. Чтобы изменить данную ситуацию, используют асинхронный двигатель и частотный регулятор для асинхронного двигателя.

Практически по всем показателям электродвигатели, работающие на переменном токе, превосходят аналоги на постоянном. Во-первых, они надежнее. Во-вторых, имеют меньшие габариты и вес. В-третьих, цена ниже. В-четвертых, они проще в эксплуатации и подключении.

А вот недостаток у них один – это сложность регулирования частоты вращения. В данном случае стандартные способы регулирования частоты асинхронных двигателей здесь не подойдут, а именно – изменения напряжения, установка сопротивления и так далее. Частотное управление асинхронным электрическим двигателем – была проблема номер один. Хотя теоретическая база известна аж с тридцатых годов прошлого столетия. Все дело упиралось в дороговизну частотного преобразователя. Все изменилось, когда изобрели микросхемы, с помощью которых через транзисторы стало возможным собрать преобразователь частоты с минимальной себестоимостью.

Преимущества применения частотно регулируемых приводов для управления АД

1. Облегчает пусковой режим привода.
2. Позволяет двигателю долго работать, независимо от степени загрузки.
3. Обеспечивает большую точность регулировочных операций.
4. Позволяет контролировать состояние отдельных узлов в цепях промышленной электрической сети. За счет этого возможно вести постоянный учет количества времени, наработанного двигателями, чтобы потом оценивать их результативность.
5. Наличие электронных узлов дает возможность диагностировать неисправности в работе двигателя дистанционно.
6. К устройству можно подключать различные датчики обратной связи (давления, температуры). В результате скорость вращения будет стабильна при постоянно меняющихся нагрузках.
7. При пропадании сетевого напряжения включается управляемое торможение и перезапуск.

В результате:
• повышается уровень КПД за счет чего можно сэкономить порядка 30-35 % электроэнергии;
• количество и качество конечного продукта возрастает;
• снижается износ комплектующих механизмов;
• возрастает срок службы оборудования.

Разновидности регуляторов

Существует большое количество регуляторов для однофазных и трехфазных двигателей. У тех и других есть свои достоинства и недостатки:

• Тиристорные.
• Симисторные.
• Частотные преобразователи.

Регуляторы, собранные на базе тиристоров – довольно неплохой выбор. Они содержат различные виды защиты: от перегрева, перепадов напряжения. К достоинствам этого типа регуляторов можно отнести сравнительно невысокую цену, а также малый вес и размеры. Но существуют и недостатки, в число которых входят треск, шум и рывки при запуске.

Симисторные устройства более универсальны по сравнению с тиристорными. Они позволяют управлять скоростью сразу нескольких двигателей, поддерживают работу как с постоянным током, так и с переменным, шумовые проявления сведены к минимуму. Симисторный регулятор считается одним из наиболее приемлемых по цене и качеству.

Частотный регулятор используется для изменения выходного напряжения от 0 до 500В. Чем выше напряжение на выходе, тем выше число оборотов. Такой тип регулировки используется для трехфазных двигателей, напряжения которых составляет 380 вольт – например, в системах кондиционирования, вентиляторах проветривания.

Если мощность моторов велика, от 100 и до 500 кВт, то используется трансформаторный тип. Благодаря такой регулировке возможен плавный пуск электродвигателя и ступенчатое изменение скорости вращения вала, а также управление сразу несколькими мощными устройствами в автоматическом режиме.

Частотный регулятор появился не так давно. Поскольку в основу этого устройства входили дорогостоящие силовые транзисторы и модули высокого напряжения, из-за этого цена была необоснованно завышена. Но благодаря новейшим разработкам цена значительно снизилась, что дало возможность приобретать устройство без проблем.

Спустя некоторое время прилавки в магазинах были заполнены сварочными аппаратами инверторного типа, кондиционерами и частотными преобразователями.

В данный момент регуляторы скорости вращения асинхронного электродвигателя пользуются довольно высоким спросом. Пожалуй, это самый лучший вариант для регулировки оборотов асинхронного двигателя.

Частотники, собранные на базе мощных полупроводниковых транзисторов, оказывают непосредственное влияние на скорость вращения.

Но существует один нюанс: при уменьшении частоты падает и перегрузочная способность, что ведет к снижению напряжения. Поэтому на частотный регулятор необходимо подавать повышенное напряжение. При этом все зависит от конструктивных особенностей. Если регулировку нужно выполнить на электромоторе, на вал которого действует непостоянная механическая нагрузка, при уменьшении частоты напряжение будет увеличиваться.

Если необходимо произвести регулировку на электродвигателе с постоянной мощностью, увеличение напряжения производится пропорционально квадратному корню падения частоты. Частотный преобразователь является оптимальным выбором для регулировки скорости асинхронного двигателя.

Как обслуживать частотные преобразователи?

Для долгосрочной эксплуатации инвертора требуется контроль за его состоянием и выполнение предписаний :

1. Очищать от пыли внутренние элементы. Можно использовать компрессор для удаления пыли сжатым воздухом. Пылесос для этих целей не подходит.
2. Периодически контролировать состояние узлов, производить замену. Срок службы электролитических конденсаторов составляет пять лет, предохранительных вставок – десять лет. Охлаждающие вентиляторы работают до замены 3 года. Шлейфы проводов используются шесть лет.
3. Контроль напряжения шины постоянного тока и температура механизмов является необходимым мероприятием. При повышенной температуре термопроводящая паста засыхает и выводит из строя конденсаторы. Каждые 3 года на силовые клеммы наносят слой токопроводящей пасты.
4. Условия и режим работы необходимо соблюдать в строгом соответствии. Температура окружающей среды не должна превышать 40 градусов. Пыль и влажность отрицательно влияют на состояние рабочих элементов прибора.

Частотно-регулируемые приводы

В обиход различных сфер промышленности, которые используют насосное, вентиляционной оборудование, производства, использующие конвейерные установки, объекты генерации (ТЭЦ, ГРЭС и т.п.) и многих других, вошли такие установки как частотно-регулируемые привода (ЧРП), также называемые — преобразователями частоты (ПЧ). Данные установки и позволяют изменять частоту и амплитуду трехфазного напряжения, поступающего на электродвигатель, за счет чего и достигается гибкое изменение режимов работы управляющих механизмов.

Высоковольтный частотно-регулируемый привод

Приведем краткое описание существующих преобразователей частоты.

Конструктивно преобразователь состоит из функционально связанных блоков: блока входного трансформатора (шкаф трансформатора); многоуровневого инвертора (шкаф инвертора) и системы управления и защит с блоком ввода и отображения информации (шкаф управления и защит).

В шкафу входного трансформатора производится передача энергии от трехфазного источника питания входным многообмоточным трансформатором, который распределяет пониженное напряжение на многоуровневый инвертор.

Многоуровневый инвертор состоит из унифицированных ячеек – преобразователей. Количество ячеек определяется конкретным конструктивом и заводом-изготовителем. Каждая ячейка, оснащена выпрямителем и фильтром звена постоянного тока с мостовым инвертором напряжения на современных IGBT транзисторах (биполярный транзистор с изолированным затвором). Первоначально выпрямляется входной переменный ток, а затем с помощью полупроводникового инвертора преобразуется в переменный ток с регулируемой частотой и напряжением.

Полученные источники управляемого переменного напряжения соединяются последовательно в звенья, формируя фазу напряжения. Построение выходной трехфазной системы питания асинхронного двигателя производится включением звеньев по схеме «ЗВЕЗДА».

Система управления защиты располагается в шкафу управления и защиты и представлена многофункциональным микропроцессорным блоком с системой питания от источника собственных нужд преобразователя, устройством ввода-вывода информации и первичными сенсорами электрических режимов работы преобразователя.

Регулирование скорости с помощью изменения активного сопротивления в цепи ротора

Этот способ регулирования скорости применим в двигателях с фазным ротором. При этом в цепь обмотки ротора включается реостат, которым можно плавно увеличивать сопротивление. С увеличением сопротивления, скольжение двигателя растёт, а скорость падает. Таким образом, обеспечивается регулировка скорости вниз от естественной характеристики.

Недостатком данного способа является его неэкономичность, так как при увеличении скольжения, потери в цепи ротора растут, следовательно, КПД двигателя падает. Плюс к этому, механическая характеристика двигателя становится более пологой и мягкой, из-за чего небольшое изменение момента нагрузки на валу, вызывает большое изменение частоты вращения.

Регулирование скорости данным способом не эффективно, но, несмотря на это применяется в двигателях с фазным ротором.

ПУСК ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ЧЕРЕЗ ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

• входное напряжение в нем выпрямляется;
• затем заново преобразуется в переменное, но уже с заданной частотой и амплитудой.

Это происходит благодаря работе генератора широтно-импульсной модуляции (ШИМ), который создает серию прямоугольных импульсов заданной частоты и скважности (отношения длительности импульса к его периоду). Генерируемые импульсы управляют силовыми ключами, коммутирующими выпрямленное напряжение питания на обмотки выходного трансформатора.

Как осуществляется плавный пуск через частотный преобразователь?

В данном случае становится возможным плавное изменение не только напряжения, но и частоты питающего электродвигатель напряжения. Благодаря тому, что ШИМ-генератор частотного преобразователя легко может управляться с обратной связью по потребляемому току, становится возможным пусковой режим, в котором ток не превышает номинальный – таким образом перегрузка питающей сети фактически отсутствует.

Однако такой пусковой режим требует значительного усложнения частотного преобразователя, поэтому для управления асинхронными электродвигателями обычно используется комбинация с отдельным устройством плавного пуска (УПП).

© 2012-2021 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов