Квадратичная нагрузка в частотном преобразователе

Расчет параметров частотного преобразователя для асинхронных двигателей

Зачастую приходится понижать скорость вращения двигателя, выполняющего определенные задачи в механизме. Уменьшение числа оборотов элеткродвигателя можно добиться с помощью самодельных приборов, управляющих схем стандартного изготовления.

Электродвигатели переменного тока часто используются в деятельности человека, на металлообрабатывающих станках, транспорта, крановых механизмов и другого оборудования. Двигатели превращают энергию переменного тока питания во вращение вала и агрегатов. Используются в основном асинхронные двигатели переменного тока.

Ротор, а также и статор двигателя состоят из катушек провода, уложенного в сердечник, изготовленный из специальной стали. Классификация электродвигателей следует от способа закладки обмотки.

Обмотка из латунных и медных стержней вставляется в сердечник, по краям устанавливаются кольца. Такая катушка провода называется короткозамкнутым (КР) ротором. Электродвигатели небольшой мощности имеют стержни, а также диски, которые были отлиты вместе. Для электродвигателей с мощным моментом детали отливаются отдельно, затем свариваются. Обмотка статора может быть подключена двумя методами: треугольником, звездой.

Фазный ротор состоит из 3-фазной роторной обмотки, подключенной контактными кольцами и щетками к питанию. Обмотка соединена «звездой».

Расчет количества оборотов асинхронного двигателя

Распространенным двигателем на станках и подъемных устройствах является двигатель с короткозамкнутым ротором, поэтому пример для расчета следует брать для него. Сетевое напряжение поступает на статорную обмотку. Обмотки смещены друг от друга на 120 градусов. Возникшее поле электромагнитной индукции возбуждает электрический ток в обмотке. Ротор начинает работать под действием ЭМС.

Основной характеристикой работы двигателя является число оборотов в минуту. Рассчитываем это значение:

где f – частота сети, герц, р – количество полюсов статора (в парах).

На корпусе электродвигателя имеется табличка с техническими данными. Если ее нет, то можно самому рассчитать число оборотов вала оборудования по другим имеющимся данным. Расчет производится тремя способами.

1. Расчет числа катушек, которое сравнивается с нормами для разного напряжения, следует по таблице:

1. Расчет скорости работы по шагу диаметра обмотки по формуле:

2 p = Z₁ / y, где 2р – количество полюсов, Z₁ – число пазов в статоре, у – шаг обмотки.

Выбираем из таблицы подходящие обороты двигателя:

1. Высчитываем количество полюсов по параметрам сердечника по формуле:

2p = 0,35 Z₁ b / h или 2 p = 0,5 D_i / h,

где 2р – количество полюсов, Z₁ – число пазов, b – размер зуба, см, h – высота спинки, см, D_i – диаметр по зубцам, см.

По результатам расчета и индукции следует число витков обмотки, сравнивается со значениями мотора по паспорту.

Как изменить скорость работы двигателя?

Изменять скорость вращающего момента механизма оборудования можно различными способами, например, механическими редукторами с переключением передач, муфтами и другими устройствами. Но это не всегда возможно. Практически используется 7 способов коррекции частоты вращения регулируемых приводов. Все способы разделены на два основных направления.

1. Коррекция магнитного поля путем воздействия на частоту тока, уменьшение или увеличение числа пар полюсов, коррекция напряжения. Направление характерно моторам с короткозамкнутым (КР) ротором.
2. Скольжение корректируется напряжением питания, добавлением еще одного резистора в цепь схемы ротора, установкой двойного питания, использованием каскада вентилей. Такое направление используется для роторов с фазами.

Регулировка частоты и напряжения с помощью частотного преобразователя, путем создания дополнительной катушки с переключением полюсов пар, являются самыми востребованными способами.

Распространенные схемы регуляторов

Существует множество частотных преобразователей для асинхронных двигателей, а также различных регуляторов для них. Самостоятельно возможно изготовить прибор для регулировки частоты, применяя транзисторы или тиристоры. Прибор работает как в быту, так и для станочного оборудования, крановых механизмов, различных регулируемых приводов агрегатов.

Мощный регулятор частоты и напряжения показан на схеме. Прибор плавно изменяет параметры привода, экономит энергию, снижает расходы на обслуживание.

Для применения этой схемы в быту, она сложная. Если использовать симистор рабочим элементом, то схема упрощается, и выглядит иначе.

Регулировка будет происходить работой потенциометра, определяюцим фазу импульса входа, и открывающего симистор.

Эффект эксплуатации станков, обрабатывающих металл, подъемных устройств также следует из вращения двигателя, как и сами его эксплуатационные параметры. В продаже имеется множество приборов для регулировки частоты, однако можно вполне собрать такой прибор собственными силами.

Как выбрать частотный преобразователь?

Если проанализировать цены и функции преобразователей частоты, то можно понять, что по цене определяется количество встроенных функции частотного преобразователя. Дорогие модели обладают большой функциональностью. Но для выбора прибора лучше руководствоваться требуемыми условиями применения.

• Частотники бывают с двумя видами управления: скалярное, векторное. При скалярном управлении прибор действует при определенных значениях выходной разности потенциалов и частотой, работают в примитивных домашних приборах, например, вентиляторах. При векторном управлении сила тока устанавливается достаточно точно.
• При выборе прибора параметры мощности играют определяющую роль. Величина мощности расширяет сферу использования, упрощает обслуживание.
• При выборе устройства учитывается интервал рабочего напряжения сети, что снижает опасность выхода его из строя из-за резких перепадов разности потенциалов. При чрезмерном повышении напряжения конденсаторы сети могут взорваться.
• Частота – немаловажный фактор. Его величина определяется требованиями производства. Наименьшее значение говорит о возможности использования скорости в оптимальном режиме работы. Для получения большего интервала частоты применяют частотники с векторным управлением. В реальности часто используются инверторы с интервалом частот от 10 до 10 Гц.
• Частотный преобразователь, имеющий много разных выходов и входов удобен в пользовании, но стоимость его выше, настройка сложнее. Разъемы частотников бывают трех типов: аналоговые, дискретные, цифровые. Связь обратного вида вводных команд производится через аналоговые разъемы. Цифровые клеммы производят ввод сигналов от датчиков цифрового типа.
• Выбирая модель частотного преобразователя, нужно дать оценку управляющей шине. Ее характеристика подбирается под схему инвертора, что обуславливает число колодок. Наилучшим выбором работает частотник с запасом количества разъемов для дальнейшей модернизации прибора.
• Частотники, выдерживающие большие перегрузки (на 15% выше мощности мотора), при выборе имеют предпочтения. Чтобы не ошибиться при покупке преобразователя частоты, ознакомьтесь с инструкцией. В ней имеются главные параметры эксплуатации оборудования. Если нужен прибор для максимальных нагрузок, то необходимо выбирать частотник, сохраняющий ток на пике работы выше, чем на 10% от номинала.

Как подключить частотный преобразователь

Если кабель для подключения на 220 В с 1-й фазой, применяется схема «треугольника». Нельзя подключать частотник, если выходной ток выше 50% от номинального значения.

Если кабель питания на три фазы 380 В, то делается схема «звезды». Чтобы проще было подключать питание, предусмотрены контакты и клеммы с буквенными обозначениями.

• Контакты R, S, T предназначены для подключения сети питания по фазам.
• Клеммы U , V , W служат соединением электродвигателя. Для реверса достаточно изменить подключение двух проводов между собой.

В приборе должна быть колодка с клеммой подключения к земле. Подробней, как подключить, здесь.

Как обслуживать частотные преобразователи?

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

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.

Окупаемость преобразователя частоты

Электроэнергия постоянно дорожает, руководители организаций вынуждены экономить разными путями. В условиях промышленного производства большая часть энергии расходуется механизмами, имеющими электродвигатели.

Изготовители устройств для электротехнических машин и агрегатов предлагают специальные устройства и приборы для управления электромоторами. Такие устройства экономят энергию электрического тока. Они называются инверторами или частотными преобразователями.

Финансовые затраты на покупку частотника не всегда оправдывают экономию средств, так как стоимость их сопоставима со стоимостью сэкономленной энергии. Не всегда привод механизма можно быстро оснастить инвертором. Какие сложности при этом возникают? Разберем способы запуска асинхронных двигателей для пониманию достоинств инверторов.

Методы запуска двигателей

Можно определить 4 метода пуска двигателей.

1. Прямое включение, для моторов до 10 кВт. Способ неэффективен для ускорения, увеличения момента, перегрузок. Токи выше номинала в 7 раз.
2. Включение с возможностью выбора схем «треугольника» и «звезды».
3. Интегрирование устройства плавного пуска.
4. Применение инвертора. Способ особенно эффективен для защиты мотора, ускорения, момента, экономии энергии.

Экономическое обоснование эффекта от инвертора

Время окупаемости инвертора рассчитывается отношением затрат на покупку к экономии энергии. Экономия обычно равна от 20 до 40% от номинальной мощности мотора.

Затраты снижают факторы, повышающие производительность частотных преобразователей:

1. Уменьшение затрат на обслуживание.
2. Повышение ресурса двигателя.

где Э – экономия денег в рублях;

Ч – часов эксплуатации в день;

К – коэффициент ожидаемого процента экономии;

Т – тариф энергии в рублях.

Время окупаемости равно отношению затрат на покупку инвертора к экономии денег. Расчеты показывают, что период окупаемости получается от 3 месяцев до 3 лет. Это зависит от мощности мотора.

Источник

Квадратичная нагрузка в частотном преобразователе

Данный раздел посвящен выбору частотных преобразователей и устройств плавного пуска.

Выбор частотного преобразователя

Выбор частотного преобразователя требует обязательно учета всех технические параметров электропривода рассматриваемой системы, таких как:

• Тип и характер нагрузки;
• Величина номинального тока подключенного двигателя;
• Величина питающего напряжения;
• Требуемая точность и диапазон регулирования скорости;
• Необходимость режима торможения;
• Способы управления электроприводом;
• Требуемые функции управления и защиты.

Помимо указанных Выше основных параметров следует также учесть возможные требования предъявляемые к самой конструкции частотного преобразователя (массогабаритные характеристики), варианту исполнения и степени защиты (IP), наличию пульта управления и др.

Учет технических параметров электропривода

Правильное понимание особенностей системы, в которой будет работать преобразователь частоты позволяет правильно определиться с нужной серией частотного преобразователя и основным функционалом. Различные механизмы в различных системах требуют наличия определенного набора функций у частотного преобразователя. Например, для насоса и тягодутьевой машины момент нагрузки на приводной электродвигатель различны и соответственно оптимальный алгоритм управления этими приводами должен отличаться (см. теория) Многие производители выпускают отдельные серии преобразователей частоты для специального применения (например частотный преобразователь адаптированный для работы с насосами)

Мощность частотного преобразователя

Мощность электропривода, также как и его номинальный рабочий ток является, пожалуй, одним из основных его параметров. Частотный преобразователь выбирается исходя из мощности электродвигателя или его номинального рабочего тока. Выбор ПЧ необходимо осуществлять по величине тока потребляемого двигателем от частотного преобразователя с учетом перегрузочной способности частотника. Обычно перегрузочная способность учитывается совместно с её временем продолжительности перегрузки. Перегрузочная способность определяет время срабатывания непосредственной защиты электропривода и указывается в процентах (%) от номинального тока электродвигателя.

Важным также являются параметры питающей сети. Наиболее часто встречающимся вариантом является — питание преобразователя частоты от трехфазной 380В.

В общем случае возможны следующие группы напряжений:

• НН: 110 В, 220 В, 380В (690 В) – НН, низкое напряжение
• СН-2: 1 кВ, 6 кВ, 10 кВ, 20 кВ — СН-2, среднее второе напряжение,
• СН-1: 35 кВ — среднее первое напряжение

Очень часто преобразователи частоты, работающие от напряжения групп СН-1,2 называют высоковольтными.

Каждый из вариантов применим для различного рода решений, и зависит как от возможностей электроснабжения, так и от ряда возможностей обусловленных применением соответствующего привода.

Диапазон регулирования частоты

Если технологическим процессом предусмотрено снижение частоты вращения не более 10%, то для такого механизма будет применим практически любой частотный преобразователь. Однако в случае требования обеспечить большой диапазон регулирования частоты, необходимо выбирать преобразователь частоты способный обеспечить работу низких частотах. Также необходимо позаботится об охлаждении двигателя. Стандартный асинхронный двигатель охлаждается закрепленным на его валу вентилятором. Соответственно при снижении частоты вращения вала уменьшается охлаждение электродвигателя. Некоторые преобразователи частоты снабжены функцией контроля теплового режима. Однако возможны варианты где потребуется дополнительное охлаждение или применение другого типа электродвигателя.

Необходимость режима торможения

Для случаем управления приводом высоко инерционных механизмов возникает вопрос – куда деть кинетическую энергию двигателя при торможении. Возможны следующие варианты:

• Отдать энергию обратно в сеть (рекуперация);
• Остановить электродвигателем путем понижения частоты питающего напряжения статора. В таком случае избыточная энергия выделится в виде тепла на радиаторах;

Варианты использования того или иного метода должны анализироваться с точки зрения экономической целесообразности. Например рекуперативное торможения более выгодно в плане экономии электроэнергии, однако значительно увеличивает стоимость частотного преобразователя по сравнению с преобразователем частоты с простым тормозным сопротивлением. Данный вопрос необходимо рассматривать в каждом конкретном случае и учитывать все затраты за весь жизненный цикл оборудования.

Способы управления двигателем

Существуют два основных метода частотного регулирования двигателем:

• Скалярное управление;
• Векторное управление.

Метод скалярно управления является наиболее распространенным. Применяется как правило для управления двигателей в насосных и вентиляторных агрегатах, компрессорной технике, а также механизмов, где необходимо поддерживать технологический параметр посредством датчика обратной связи. Диапазон регулирования частоты вращения при таком методе достигает 1:10.

Недостатки скалярно метода:

Значительно снижение величины крутящего момента при частотах f
—>

Источник