RuAut

Как выбрать преобразователь частоты перед тем как его купить

· publikacii / electro · архивная версия

Критерии выбора частотных преобразователей

На сегодняшний день двигатели асинхронного типа с короткозамкнутым ротором можно отнести к категории самых надежных и дешевых электродвигателей. Именно по этим причинам асинхронные электродвигатели в последнее время настолько активно стали использовать в промышленности. Но, как говорится, в нашем мире невозможно достигнуть идеала, и, к сожалению, данный электродвигатель не является исключением. Главных недостатков у асинхронного электродвигателя всего два. Первый заключается в том, что скорость электродвигателя не удается регулировать простым способом, а, как следствие, и производительность всего механизма. Конечно же, данную проблему можно решить. Например, в промышленных механизмах применяют редукторы различного рода, в вентиляторах используют заслонки и шибера, а в насосах - специальные задвижки, которые ограничивают поток жидкости. Но следует помнить, что все данные варианты имеют и свои минусы: одни ненадежны, другие не экономичны, третьи же способны обеспечить только необходимость остановки всего механизма для осуществления переключения и итоговый набор скоростей и т.п. Вторым недостатком асинхронных электродвигателей можно назвать то, что они обладают достаточно большим пусковым током, который превышает номинальный в 5-7 раз, и моментом, который при пуске приводит к ударным механическим нагрузкам. Как следствие, требуется применять коммутационную аппаратуру, которая будет более устойчивой, и приходится прибегать к помощи разнообразных демпфирующих устройств.

После того, как специалисты много лет бились над решением этой проблемы, как результат был разработан прибор, который обладает оптимальными функциями. Он обеспечивает возможность осуществления постоянного регулирования скорости электронным методом и плавного запуска. Как известно, по определению, электронный способ считается более надежным по сравнению с механическим. Прибор, о котором идет речь, получил широко известное название - “преобразователь частоты”.

Ниже будут рассмотрено использование преобразователей частоты по категориям популярности их применения (от большего к меньшему):

Насосное применение преобразователей частоты

Мощность, потребляемая насосами, пропорциональна кубу скорости их вращения. С учетом этого, по сравнению с методом, когда для регулирования мощности на трубе используются заслонки, применение частотных преобразователей на насосах влечет за собой экономию по электроэнергии до 30%, а то и больше. Такой показатель экономии позволяет окупить внедрение преобразователя частоты за период около года. Помимо этого параллельно решается и проблема гидравлических ударов: когда работает преобразователь частоты, то остановка и пуск насоса происходят очень плавно. Современные преобразователи, которые предлагают ведущие фирмы, имеют собственную систему управления, которая позволяет управлять целой группой насосов. Иными словами, практически возможно построить целую насосную станцию, при этом не используя вспомогательного контроллера.

Вентиляторное применение преобразователей частоты

Все, что выше было рассмотрено для насосов, относится в полной мере и к вентиляторам. Как правило, экономия по электроэнергии в работе вентиляторов еще больше, потому что достаточно часто используются двигатели повышенной мощности для того, чтобы обеспечить прямой пуск тяжелых вентиляторов. Таким образом, при осуществлении проектирования новых установок с учетом использования частотных преобразователей можно использовать двигатели малой мощности, а при осуществлении модернизации уже используемых установок за счет уменьшения потерь холостого хода выходит дополнительная экономия.

Применение преобразователей частоты в транспортерах

На транспортерах благодаря регулированию становится возможной адаптация скорости перемещения к скорости технологического процесса в целом, даже не смотря на то, что в общем случае эта скорость не является постоянной. Ресурс механизмов значительно повышается благодаря плавному пуску. Причиной этого является то, что в момент пуска полностью отсутствуют ударные нагрузки в процессе выбора люфтов.

Принцип действия преобразователей частоты

Если обратить внимание на рис. 1, то можно увидеть, что конденсаторы сглаживают, выпрямляют переменное напряжение сети, а потом выходной генератор из постоянного полученного напряжения формирует уже напряжение требуемой и амплитуды и частоты.

Схематически это формирование отражено рис. 2 и происходит достаточно своеобразно: по факту генератор просто закрывает и открывает требуемые выходные ключи. Таким образом, формируется последовательность импульсов разнообразной ширины, при этом результат совсем не похож на синусоиду. Но так как в работе принимает участие и двигатель, то за счет его индуктивности происходит сглаживание кривой тока, который пропорционален среднему значению напряжения. Именно по этой причине без специальных мер по безопасности от преобразователя частоты не стоит запитать какие-либо другие нагрузки.

По рассматриваемой силовой схеме собрано основное количество преобразователей частоты, которые сейчас можно найти на рынке. Все основные отличия заключаются в функционале системы управления. Эти функции можно условно подразделить на три категории:

Критерии выбора преобразователей частоты

Так как мы все равно затронули тему рынка, то следует четко осознавать, что главная задача любого производителя заключается в том, чтобы успешно продать свою продукцию. Поэтому из всего имеющегося списка возможностей в свой прибор производитель включает только те функции, за которые, по мнению производителя, готов заплатить пользователь. Также некоторое количество функций могут быть реализованы в виде дополнительных опций, которые потребитель может добавить при оформлении заказа. Именно на этом этапе имеет место быть первый компромисс, который заключается в следующем: чем большим количеством функций обладает базовая версия прибора, тем меньше стоит любая из них, но тем выше стоимость всего прибора целиком. Это правило действует и в противоположном направлении, чем больше функций производитель предлагает в виде дополнительных опций, тем меньше стоимость базовой версии прибора, но тем больше придется заплатить за каждую дополнительную возможность и тем ниже надежность всего прибора в целом. На уменьшение надежности в данном случае влияет усложнение охлаждения, наличие проводов и разъемов и т.д. Также следует отметить, что число опций, которые могут быть подключены одновременно, является ограниченным. Иными словами, следует выбирать тот прибор, в базовый вариант которого уже заложено большинство требуемых функций, а пару опций вполне можно заказать и в дополнение.

Подытожим, на что же требуется в первую очередь обращать внимание для того, чтобы сделать оптимальный выбор? Сразу же оговоримся, что в данном случае выбор мы будем рассматривать, основываясь на технических соображений. Итак, следует выбрать несколько моделей, которые бы отвечали в первую очередь техническим требованиям, и только после этого из них уже выбрать ту, которая будет соответствовать и другим критериям, например, уровню сервиса, срокам поставки, надежности, цене, и т.п.

Первоначально нужно отбросить те серии преобразователей, которые явно не подходят по каким-либо параметрам, например, отсутствуют модели требуемой мощности, модели выполнены в открытом исполнении, которое предназначено для встраивания и т.д.

В соответствии с типом механизма следует определиться и с методом управления. Способ управления может быть скалярным или векторным. Основная часть преобразователей частоты, которые представлены на современном рынке, реализуют на практике тот или другой метод векторного управления двигателем (векторные переменные двигателя управляются раздельно). В случае необходимости данные преобразователи могут также работать и в скалярном режиме, который является более простым (отношение выходного напряжения к частоте поддерживается неизменным). Такого режима работы вполне хватит для каких-то не очень сложных приводов, например, конвейеров, насосов, транспортеров, вентиляторов и т.д. Зато большим преимуществом скалярного способа управления является возможность управления более мощными двигателями, используя те же силовые элементы.

Следует сказать, что на современном рынке почти не осталось таких преобразователей, которые бы не имели векторного управления, соответственно, очень большого значения наличию «не требующегося» векторного управления придавать не следует, в любом случае его можно будет просто-напросто отключить.

Мощностной ряд

Если необходимое число преобразователей уже определено, то было бы хорошо, если бы в ряду были подобраны модели для всех требуемых мощностей. В таком случае будет проще обеспечить унификацию в наиболее широком значении этого слова – от опционных компонентов и запасных частей до упрощения работы персонала по обслуживанию. В ситуации, когда процесс перехода на регулируемый привод не имеет видимых ограничений, тогда лучше выбрать ряд с наиболее широким интервалом мощностей. Это обусловлено теми же соображениями, которые уже были описаны выше.

Диапазон входного напряжения

Эта характеристика определяет уровень напряжения в сети при котором работоспособность преобразователя сохраняется. Следует узнать, какое именно напряжение может возникнуть в сети питания. Тут следует уточнить, что речь идет именно о том напряжении, которое может быть, а не о том, которое должно быть. Требуется выбирать прибор так, чтобы преобразователь смог пережить это напряжение. При этом надо помнить, что следствием пониженного напряжения будет просто остановка (а у достаточно хороших моделей вообще только пропорциональное снижение скорости), а вот повышение уровня напряжения выше допустимого может привести к неработоспособности прибора в целом.

Диапазон изменения частоты

При применении двигателей с высокими номинальными частотами 200…1000 Гц важно знать верхний предел диапазона. Как правило, к таким приборам относятся механизмы с очень высокими скоростями, например, шлифовальные машины, центрифуги и т.д. Требуется убедиться, что преобразователь выдает на выходе именно ту частоту, на которую рассчитаны механизм и двигатель. Нижним пределом определяется интервал регулирования скорости. В случае, если большой диапазон (более 1:10) не требуется, то можно и вовсе игнорировать это. Если такой диапазон требуется, тогда даже тот нижняя граница заявленного диапазона 0 Гц не сможет стопроцентно гарантировать устойчивую работу. В такой ситуации вопрос регулирования частоты нужно выяснять с производителем особо. Кстати говоря, в этом случае, как правило, требуется векторный способ управление.

Число управляющих входов

Дискретные входы требуются для ввода разнообразных команд, например, выбор фиксированной скорости, пуск, реверс, стоп, изменение задания, аварийная остановка и т.д. Входы, как правило, программируются самим пользователем. Аналоговые входы требуются для обратной связи и ввода сигналов задания (как правило 0-10 В или 4-20 мА). Цифровые входы используются для ввода сигналов высокой частоты от датчиков скорости и положения, которые носят название энкодеров. Большое число входов требуется тогда, когда разработчик планирует построение достаточно сложной системы управления, в которой будет присутствовать множество управляющих сигналов. Но, к сожалению, заранее однозначно утверждать, хватит или не хватит входов достаточно сложно, поэтому, чем большим числом входов обладает модель, тем лучше, но и полностью отказываться от приглянувшейся модели из-за маленького числа входов не нужно.

Число выходных сигналов

Дискретные выходы тоже применяются для построения достаточно сложных систем, например, насосных станций, а также для вывода сигналов о разнообразных событиях. Аналоговые же выходы требуются для осуществления питания устройств отображения и опять-таки для построения систем автоматизированного управления. Мы можем сказать, что рекомендации по выбору по этому критерию аналогичные входу.

Способ управления

Речь в данной ситуации пойдет об оперативном управлении. Иными словами о том, как будет производиться управление приводом в режиме работы. Управление может выполняться через входы управления с выносного или встроенного пульта или же по шине последовательной связи (от контроллера или компьютера). Кроме этого достаточно часто допускается переключаемое или комбинированное управление. Так что выбор того, чем пользоваться остается за потребителями.

Гарантийный срок

Этот показатель позволяет косвенно оценить надежность техники, в особенности импортной, так как организовать сервисную службу в России - это достаточно затратное в финансовом плане и, кроме того, еще и хлопотное мероприятие. Однако, следует отметить, что, как показывает опыт, в России подавляющее число выходов преобразователей частоты из работоспособного состояния происходит по двум причинам. Первая это некачественное электроснабжение, а вторая - из-за так называемого «человеческого фактора». Ясно, что данные случаи никоим образом не попадают под определение гарантийных.

Итак, в случае, если нет каких-нибудь специфических требований, то на данном этапе выбор серии можно считать завершенным. Следующим шагом будет выбор конкретной модели в линейке частотных преобразователей. Примем условно, что двигатель как таковой уже выбран, хотя чаще он уже даже и установлен. Первоначально преобразователь подбирается в соответствии с мощностью двигателя: мощность преобразователя должна быть равна или больше мощности двигателя. На этом этапе, как правило, большинство поставщиков и, к сожалению, проектировщиков останавливаются, так как подобрать прибор по одному параметру в силах любого. Но тут нужно помнить, что нельзя исключать досадные ошибки, которые приводят или к периодическим отказам прибора, или к невозможности претворения в жизнь требуемых рабочих алгоритмов, или даже к полному выходу прибора из строя. По этой причине на следующем этапе выбора стоит уделить внимание такому критерию, как токовые характеристики. Номинальный ток преобразователя должен быть больше или равен номинальному току двигателя.

Следует уточнить, что речь идет не об измеренном, а именно о номинальном токе двигателя, который указан на шильдике или в паспорте. Подавляющее большинство двигателей применяются для того, чтобы привести в действие вентиляторы и насосы и вентиляторы. Для такого применения на данном этапе выбор можно и закончить, так как перегрузки таких приводов минимальны.

Для остальных приводов требуется осуществлять выбор дальше. Следующий этап заключается в выборе по уровню перегрузок. Требуется, чтобы преобразователь допускал токи перегрузок, которые допустимы и для механизма, и для двигателя. Тут придется обратиться к документации. Как правило, при составлении описания механизма указывают токи перегрузок и длительность их протекания. В случае, если этого нет, например, документация плохая или полностью отсутствует, тогда можно просто-напросто померить ток во время всех режимов работы механизма (кроме пуска, так как это особый случай; но, к счастью, на выбор преобразователя режим пуска влияет крайне редко). Более простой способ выбора по данному критерию - это по таблицам применений, которые предоставляются серьезными поставщиками, подобрать аналогичный механизм и выяснить его уровень перегрузок. В данных, которые предоставляются на преобразователь, как правило, указывается максимальный ток, который способен выдавать преобразователь в течение некоторого времени, как правило, 1-2 минут. Данный ток должен быть выше тока перегрузок механизма, а допустимое время его протекания – время действия перегрузок.

В ситуациях, когда для проектируемого привода также возможны и ударные нагрузки, тогда следует подбирать преобразователь еще и по критерию пикового тока. Преобразователь должен допускать токи пиковых нагрузок, которые допустимы и для механизма, и для двигателя.

Пиковыми нагрузками называются те нагрузки, которые действуют в течение 2-3 секунд. Примером пиковых нагрузок может послужить ток привода ковша экскаватора, который попал на камень. Если этот режим не будет учтен, то привод в такой ситуации просто остановится, хотя двигатель и мог бы справиться с таким препятствием, но ему потребовался бы очень большой ток, но всего на мгновение. А вот преобразователь такой ток дать просто не смог. Сложность выбора преобразователей частоты состоит еще и в том, что далеко не все преобразователи могут на практике реализовать короткие броски тока выше максимального значения, а если и могут, то далеко не все производители указывают этот параметр. В такой ситуации требуется искать преобразователь, максимальный ток которого превосходит пиковый ток нагрузки.

Итак, надо четко помнить, что при подборе преобразователя по токовым характеристикам требуется, чтобы он соответствовал трём требованиям, а вот такими характеристиками, как мощностные, можно и пренебречь.