Вы когда-нибудь задумывались, как работают преобразователи частоты и почему они необходимы в современных электрических системах? В этой статье мы рассмотрим 40 часто задаваемых вопросов о преобразователях частоты, прольем свет на их функции, различия в методах модуляции и практическое применение. Вы узнаете об их влиянии на производительность двигателя, энергоэффективность и безопасность эксплуатации. Независимо от того, являетесь ли вы опытным инженером или просто любопытствуете, это исчерпывающее руководство расширит ваше представление об этих жизненно важных устройствах.
Преобразователь частоты - это электрическое устройство, которое регулирует частоту источника питания с помощью силовых полупроводниковых приборов для включения и выключения. Он может выполнять несколько функций, включая плавный пуск, регулирование скорости преобразования частоты, повышение точности работы, регулировку коэффициента мощности и обеспечение защиты от перегрузки по току, перенапряжения и перегрузки.
ШИМ расшифровывается как широтно-импульсная модуляция и представляет собой метод регулировки выходного сигнала и формы волны путем изменения ширины импульсов в последовательности импульсов.
PAM расшифровывается как Pulse Amplitude Modulation и представляет собой метод регулировки выходного значения и формы сигнала путем изменения амплитуды импульсов в последовательности импульсов по определенному закону.
Главную схему преобразователя частоты можно разделить на два типа:
Частотный преобразователь напряжения преобразует постоянное напряжение источника в переменное. Фильтром цепи постоянного тока в этом типе преобразователя частоты является конденсатор.
Преобразователь частоты с токовым режимом, напротив, преобразует постоянный ток источника в переменный. Контурный фильтр постоянного тока в этом типе преобразователя частоты представляет собой индуктор.
Электромагнитный момент двигателя создается за счет взаимодействия между током и магнитным потоком. Очень важно поддерживать ток в пределах номинального значения, чтобы избежать перегрева двигателя.
Если магнитный поток уменьшается, электромагнитный момент также уменьшается, что приводит к снижению нагрузочной способности двигателя.
Как видно из формулы E=4,44KFNΦ, при частотном регулировании скорости магнитная цепь двигателя значительно изменяется с рабочей частотой fX, что может легко вызвать насыщение магнитной цепи, приводящее к серьезному искажению формы волны тока возбуждения и высокому пиковому току.
Чтобы избежать слабого магнитного поля и магнитного насыщения, важно пропорционально изменять частоту и напряжение, то есть регулировать выходное напряжение частотного преобразователя, изменяя частоту для поддержания определенного уровня магнитного потока в двигателе.
Этот режим управления широко используется в энергосберегающих преобразователях частоты для вентиляторов и насосов.
При снижении частоты (на низкой скорости), если сохраняется та же мощность (постоянная мощность), ток будет расти. Однако если поддерживается определенный крутящий момент (постоянный крутящий момент), ток остается почти неизменным.
Частотный преобразователь используется во время работы, постепенно повышая частоту и напряжение двигателя. Пусковой ток ограничен менее чем 150% от номинального тока (от 125% до 200% в зависимости от модели).
В отличие от этого, при прямом запуске с помощью частотного источника питания пусковой ток может в 6-7 раз превышать номинальный, вызывая механические и электрические удары.
При использовании преобразователя частоты процесс запуска становится более плавным, пусковой ток в 1,2-1,5 раза превышает номинальный, а пусковой момент составляет от 70% до 120% от номинального.
Для преобразователей частоты с функцией автоматического увеличения крутящего момента пусковой момент превышает 100% и позволяет запускаться с полной нагрузкой.
С уменьшением частоты пропорционально уменьшается и напряжение (V). Эта зависимость между V и f была ранее объяснена в ответе 4.
Пропорциональная зависимость между V и f предварительно задается на основе характеристик двигателя. Как правило, несколько вариантов характеристик хранятся в запоминающем устройстве (ПЗУ) контроллера и могут быть выбраны с помощью переключателя или диска.
Когда напряжение уменьшается пропорционально уменьшению частоты, крутящий момент на грунте, создаваемый на низкой скорости, имеет тенденцию к уменьшению, поскольку сопротивление переменного тока становится меньше, а сопротивление постоянного тока остается неизменным.
Чтобы получить определенный пусковой момент на низкой частоте, необходимо увеличить выходное напряжение. Такая компенсация известна как усиленный пуск.
Это может быть достигнуто различными способами, включая автоматический метод, выбор режима V/f или регулировку потенциометра.
Хотя мощность все еще может выдаваться ниже 6 Гц, минимальная полезная частота составляет около 6 Гц, учитывая такие факторы, как повышение температуры двигателя, пусковой момент и другие условия. При такой частоте двигатель может создавать номинальный крутящий момент, не вызывая значительных проблем с нагревом.
Фактическая выходная частота (начальная частота) преобразователя частоты варьируется от 0,5 до 3 Гц в зависимости от модели.
Как правило, нет. Когда напряжение выше 60 Гц (есть также режимы выше 50 Гц), он демонстрирует характеристику постоянной мощности, требуя того же крутящего момента на высокой скорости.
Используемое моторное устройство оснащено датчиком скорости (PG), который передает фактическую скорость на управляющее устройство для управления, называемое "замкнутым контуром". И наоборот, моторное устройство без PG называется "открытым контуром".
Большинство преобразователей частоты работают в режиме разомкнутого контура, хотя в некоторых машинах предусмотрена возможность обратной связи PG.
Режим управления без датчика скорости в замкнутом контуре рассчитывает фактическую скорость двигателя с помощью предварительно заданной математической модели и магнитного потока, эффективно формируя замкнутый контур управления с виртуальным датчиком скорости.
В системе с разомкнутым контуром, даже если преобразователь частоты выдает определенную частоту, скорость двигателя может изменяться в диапазоне номинальной скорости скольжения (от 1% до 5%), когда он работает с нагрузкой.
В тех случаях, когда требуется высокая точность регулирования скорости и двигатель должен работать вблизи заданной скорости даже при изменении нагрузки, можно использовать преобразователь частоты с функцией обратной связи PG (опционально).
Частотный преобразователь с функцией обратной связи PG повышает точность. Однако точность скорости зависит как от точности PG, так и от разрешения выходной частоты преобразователя частоты.
Если заданное время разгона слишком мало, а выходная частота преобразователя частоты изменяется намного быстрее, чем изменение скорости (угловой частоты электрического тока), преобразователь частоты может отключиться и прекратить работу из-за перегрузки по току, называемой срывом.
Чтобы предотвратить остановку и обеспечить продолжение работы двигателя, необходимо контролировать ток и управлять частотой.
Если ток ускорения становится слишком большим, скорость ускорения должна быть соответственно замедлена. То же самое относится и к замедлению.
Комбинация этих действий известна как функция срыва.
Ускорение и замедление можно задавать отдельно. Это подходит для кратковременного ускорения и медленного замедления или для небольших станков, где время производственного цикла должно быть строго определено.
Однако для вентиляторных трансмиссий и других приложений с длительным временем ускорения и замедления время ускорения и замедления может быть задано вместе.
Если во время работы двигателя частота команд уменьшается, двигатель превращается в асинхронный генератор и работает как тормоз, что называется рекуперативным (электрическим) торможением.
Энергия, вырабатываемая двигателем во время рекуперативного торможения, накапливается в фильтрующем конденсаторе преобразователя частоты.
Однако сила рекуперативного торможения общего преобразователя частоты ограничена примерно 10% - 20% от номинального крутящего момента из-за зависимости между емкостью конденсатора и выдерживаемым напряжением.
При использовании дополнительного тормозного блока сила рекуперативного торможения может быть увеличена до 50% - 100%.
Функции защиты можно разделить на две категории:
(1) Автоматически выполняет корректирующие действия после обнаружения ненормального состояния, например, предотвращение срыва по току и предотвращение срыва по напряжению регенерации.
(2) Блокирует управляющий сигнал ШИМ силового полупроводникового прибора после обнаружения аномалии, что приводит к автоматической остановке двигателя. Примеры: отключение по току, отключение по напряжению регенерации, перегрев вентилятора охлаждения полупроводникового прибора и защита от мгновенного отключения питания.
Если для подключения нагрузки используется муфта, то в момент подключения двигатель внезапно переходит из состояния холостого хода в зону с высокой скоростью скольжения. В результате протекания большого тока частотный преобразователь отключается из-за перегрузки по току, предотвращая работу.
При запуске двигателя протекает пусковой ток, пропорциональный его мощности, что вызывает падение напряжения в трансформаторе со стороны статора двигателя. Если двигатель имеет большую мощность, это падение напряжения может оказать значительное влияние.
Преобразователь частоты, подключенный к тому же трансформатору, может обнаружить пониженное напряжение или спровоцировать мгновенный останов. В результате может сработать функция защиты (IPE), что приведет к остановке работы.
В преобразователях частоты с цифровым управлением, даже если команда частоты представляет собой аналоговый сигнал, выходная частота задается с шагом. Наименьшая единица этого приращения называется разрешением преобразования частоты, которое обычно составляет от 0,015 до 0,5 Гц.
Например, если разрешение составляет 0,5 Гц, частота может быть изменена с шагом 0,5 Гц, например, с 23 Гц до 23,5 Гц и 24,0 Гц, в результате чего двигатель также будет работать с шагом.
Это может создать проблемы для приложений, требующих непрерывного контроля намотки. В таких случаях рекомендуется разрешение около 0,015 Гц. При таком разрешении разница между одной ступенью в 4-ступенчатом двигателе составляет менее 1R/мин, что обеспечивает достаточную точность. Обратите внимание, что указанное разрешение для некоторых моделей может не совпадать с фактическим выходным разрешением.
Эффект охлаждения частотного преобразователя учитывается при проектировании его внутренней и задней конструкции. Правильная вентиляция также зависит от ориентации устройства.
Поэтому рекомендуется по возможности устанавливать устройства панельного типа и настенные устройства вертикально.
Запуск двигателя на очень низкой частоте возможен, но если заданная частота высока, то это аналогично запуску напрямую с частотным источником питания. Это приведет к большому пусковому току (в 6-7 раз больше номинального), что вызовет срабатывание частотного преобразователя из-за перегрузки по току и не позволит запустить двигатель.
При работе с частотой выше 60 Гц необходимо учитывать следующие моменты:
(1) Убедитесь, что машины и устройства способны работать на этой скорости, принимая во внимание такие факторы, как механическая прочность, шум и вибрация.
(2) Когда двигатель достигает диапазона постоянной выходной мощности, его выходной крутящий момент должен быть достаточным для поддержания работы. Обратите внимание, что выходная мощность вентилятора, насоса и других валов увеличивается пропорционально кубу скорости, поэтому будьте осторожны при увеличении скорости.
(3) Учитывайте влияние на срок службы подшипников.
(4) Для двигателей средней или большей мощности, особенно для 2-полюсных двигателей, необходимо проконсультироваться с производителем перед началом работы на частоте выше 60 Гц.
При использовании редуктора следует помнить о нескольких моментах, зависящих от его структуры и метод смазки.
В зубчатых конструкциях следует учитывать максимальное ограничение в 70-80 Гц.
При использовании масляной смазки длительная работа на низкой скорости может привести к повреждению шестерни.
В принципе, нет. Для однофазных двигателей с типом пуска "губернатор-выключатель" вспомогательная обмотка может перегореть в диапазоне регулирования скорости ниже рабочей точки.
В режиме запуска или работы конденсатора возможны взрывы конденсатора.
Питание преобразователей частоты обычно трехфазное, но для небольших мощностей можно использовать и однофазное.
Эффективность частотного преобразователя зависит от нескольких факторов, включая модель, режим работы и частоту использования. Сложно дать однозначный ответ.
Однако, по оценкам, КПД преобразователей частоты, работающих на частоте ниже 60 Гц, составляет примерно 94% - 96%. Это можно использовать в качестве основы для расчета потерь.
Важно отметить, что потребляемая мощность может быть выше, если учесть потери при торможении.
Разработка эффективной панели управления также очень важна и требует пристального внимания.
Как правило, двигатель охлаждается внешним вентилятором, установленным на валу, или лопастями на торцевом кольце ротора.
При снижении скорости охлаждающий эффект также уменьшается, в результате чего он не может справиться с тем же уровнем тепла, что и при работе на высокой скорости.
Чтобы предотвратить это, необходимо либо уменьшить момент нагрузки на низкой скорости, либо использовать мощный частотный преобразователь в сочетании с двигателем, либо выбрать специальный двигатель, предназначенный для работы на низкой скорости.
Источник питания для цепи возбуждения тормоза должен быть взят со стороны входа преобразователя частоты.
Если тормоз срабатывает, когда преобразователь частоты продолжает выдавать мощность, это может привести к отключению по току.
Во избежание этого необходимо следить за тем, чтобы тормоз включался только после того, как преобразователь частоты перестанет выдавать мощность.
Что касается влияния конденсатора преобразователя частоты на эффективный коэффициент мощности после демонтажа преобразователя частоты, то необходимо принять меры для улучшения коэффициента мощности, вызванного током, протекающим в конденсаторе преобразователя частоты.
Хотя преобразователь частоты является статическим устройством, он также включает в себя расходные компоненты, такие как фильтрующие конденсаторы и охлаждающие вентиляторы.
При надлежащем уходе срок службы этих компонентов составляет более 10 лет.
Для моделей малой мощности с вентиляторами охлаждения или без них:
В моделях с вентиляторами воздух движется снизу вверх, поэтому важно не размещать механические устройства, которые могут препятствовать всасыванию и выхлопу, в верхней и нижней частях места, где установлен частотный преобразователь.
Кроме того, важно избегать размещения термочувствительных компонентов над преобразователем частоты.
В случае отказа вентилятора преобразователь частоты защищен либо датчиком остановки электровентилятора, либо датчиком перегрева охлаждающего вентилятора.
Для конденсатора, используемого в качестве фильтрующего, его электростатическая емкость постепенно уменьшается с течением времени.
Рекомендуется регулярно измерять электростатическую емкость и оценивать срок ее службы по достижению 85% номинальной мощности изделия.
Как правило, конденсатор хранится в контейнере в форме диска.
Однако полностью закрытые контейнеры в форме диска могут быть довольно большими, занимать значительное пространство и быть относительно дорогими.
Для решения этих проблем можно принять следующие меры:
(1) Конструкция диска должна учитывать требования к теплоотводу устройства;
(2) Для увеличения площади охлаждения можно использовать алюминиевые ребра и охлаждающую жидкость с ребрами.
Для уменьшения гармонических помех высокого порядка во входном токе и улучшения коэффициента мощности входного источника питания.
Синусоидальный фильтр позволяет преобразователю частоты работать с длинным кабелем двигателя, а также подходит для схем, включающих промежуточный трансформатор между преобразователем частоты и двигателем.
Величина сопротивления потенциометра, поставляемого с преобразователем частоты, обычно находится в диапазоне от 1K Ω до 10K Ω.
(1) Радиационные помехи;
(2) Кондуктивные помехи.
Для сигналов помех, передаваемых через излучение, их можно эффективно уменьшить, правильно проложив и экранировав источник излучения и помехозащищенную линию.
Помехи, передаваемые по линии, можно устранить, добавив фильтры, дроссели или магнитные кольца на входе и выходе преобразователя частоты.
Конкретные методы и меры предосторожности для уменьшения помех приведены ниже:
(1) Сигнальные и силовые линии должны пересекаться или соединяться вертикально.
(2) Избегайте соединения проводов из различные металлы друг другу.
(3) Экранирующий слой должен быть надлежащим образом заземлен, а заземление должно быть непрерывным и надежным по всей его длине.
(4) В сигнальных цепях следует использовать экранированный кабель типа "витая пара".
(5) Точка заземления экранирующего слоя должна находиться как можно дальше от преобразователя частоты и отдельно от точки заземления преобразователя частоты.
(6) На входной и выходной линии преобразователя частоты может быть использовано магнитное кольцо.
Особый метод использования магнитного кольца заключается в следующем: Входная линия может быть намотана четыре раза в одном направлении, а выходная линия может быть намотана три раза в одном направлении.
Важно, чтобы при намотке магнитное кольцо находилось как можно ближе к преобразователю частоты.
(7) Кроме того, для предотвращения помех можно применять экранирование и другие меры по борьбе с помехами для нарушенного оборудования и приборов.
Мощность, потребляемая конвейерной лентой, прямо пропорциональна ее скорости.
Поэтому, если вы хотите работать на частоте 80 Гц, мощность преобразователя частоты и двигателя должна быть увеличена пропорционально, что означает увеличение на 60% по сравнению с мощностью на частоте 50 Гц. Это означает, что мощность преобразователя частоты и двигателя должна быть увеличена на 60%.
В системе управления VVC (Variable Voltage and Variable Frequency) схема управления использует математическую модель для расчета оптимального возбуждения двигателя в ответ на изменение нагрузки двигателя и соответствующим образом компенсирует нагрузку.
Кроме того, в схему управления встроен метод синхронной 60° ШИМ, реализованный на ASIC (Application-Specific Integrated Circuit), который определяет оптимальное время переключения полупроводниковых приборов инвертора (IGBT).
Общая схема частотно-регулируемого источника питания состоит из таких компонентов, как фильтры постоянного тока и переменного тока, в результате чего на выходе получаются чистые синусоидальные формы напряжения и тока, которые очень похожи на идеальный источник переменного тока.
Он способен генерировать напряжение и частоту сети для любой страны мира.
С другой стороны, частотный преобразователь состоит из таких компонентов, как постоянный ток переменного тока (волна модуляции) и других цепей. Стандартное название этого устройства - частотный регулятор.
Однако форма выходного напряжения частотного преобразователя представляет собой импульсную квадратную волну с многочисленными гармоническими составляющими. Напряжение и частота изменяются пропорционально одновременно и не могут регулироваться независимо, что делает его непригодным для использования в качестве источника питания.
Как правило, он используется только для регулирования скорости трехфазного асинхронного двигателя.
Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
KO