Co to jest przetwornica częstotliwości, jak działa i do czego służy
Definicja
Z definicji przetwornica częstotliwości jest elektronicznym przetwornikiem mocy służącym do zmiany częstotliwości prądu przemiennego. Ale w zależności od wydajności zmienia się zarówno poziom napięcia, jak i liczba faz. Może nie być do końca jasne, dlaczego takie urządzenie jest potrzebne, ale postaramy się powiedzieć o tym prostymi słowami.
Częstotliwość rotacji wału silników synchronicznych i asynchronicznych (HELL) zależy od częstotliwości rotacji strumienia magnetycznego stojana i jest określona wzorem:
n = (60 * F / p) * (1-S),
gdzie n jest liczbą obrotów wału HELL, p jest liczbą par biegunów, s jest poślizgiem, f jest częstotliwością prądu przemiennego.
Mówiąc prościej, prędkość wirnika zależy od częstotliwości i liczby par biegunów. Liczba par biegunów zależy od konstrukcji cewek stojana, a częstotliwość prądu w sieci jest stała. Dlatego w celu regulacji prędkości możemy kontrolować częstotliwość tylko za pomocą konwerterów.
Urządzenie
W związku z powyższym ponownie formułujemy odpowiedź na pytanie, co to jest:
Przetwornica częstotliwości jest urządzeniem elektronicznym do zmiany częstotliwości prądu przemiennego, a zatem liczby obrotów wirnika asynchronicznej (i synchronicznej) maszyny elektrycznej.
Symbol graficzny zgodny z GOST 2.737-68 można zobaczyć poniżej:
Nazywa się to elektronicznym, ponieważ opiera się na półprzewodnikowym obwodzie przełączającym. W zależności od cech funkcjonalnych i rodzaju sterowania, zarówno schemat obwodu, jak i algorytm działania zostaną zmodyfikowane.
Na poniższym schemacie pokazano, jak rozmieszczono przetwornicę częstotliwości:
Zasada działania przetwornicy częstotliwości jest następująca:
- Napięcie sieciowe jest przyłożone do prostownika 1 i staje się prostowanym pulsującym.
- W bloku 2 pulsacje są wygładzane, a składnik reaktywny jest częściowo kompensowany.
- Blok 3 to grupa przełączników mocy sterowanych przez układ sterowania (4) z wykorzystaniem modulacji szerokości impulsu (PWM). Ta konstrukcja pozwala uzyskać dwupoziomowe napięcie regulowane PWM na wyjściu, które po wygładzeniu zbliża się do postaci sinusoidalnej. W drogich modelach zastosowano trzypoziomowy schemat, w którym zastosowano więcej kluczy. Pozwala osiągnąć bliższy przebieg sinusoidalny. Jako przełączniki półprzewodnikowe można zastosować tyrystory, efekt polowy lub tranzystory IGBT. Ostatnio dwa ostatnie typy są najbardziej poszukiwane i popularne ze względu na wydajność, niewielkie straty i łatwość zarządzania.
- Za pomocą PWM powstaje wymagany poziom napięcia, w prostych słowach - w ten sposób modulowana jest fala sinusoidalna, na przemian z parami kluczy napięcie sieciowe.
Krótko opisaliśmy więc, jak działa przetwornica częstotliwości dla silnika elektrycznego i z czego ona się składa. Jest wykorzystywany jako wtórne źródło zasilania i nie tylko kontroluje kształt bieżącej sieci zasilającej, ale przekształca jej wartość i częstotliwość zgodnie z określonymi parametrami.
Rodzaje chastotników i zakres
Metody zarządzania
Regulacja prędkości może odbywać się na różne sposoby, zarówno metodą ustawiania wymaganej częstotliwości, jak i metodą regulacji. Chastotniki według metody kontroli dzielą się na dwa typy:
- Z kontrolą skalarną.
- Z kontrolą wektorową.
Urządzenia pierwszego typu regulują częstotliwość zgodnie z daną funkcją U / F, to znaczy zmiany napięcia wraz z częstotliwością. Przykład takiej zależności napięcia od częstotliwości można zaobserwować poniżej.
Może być różny i zaprogramowany dla określonego obciążenia, na przykład na wentylatorach nie jest liniowy, ale przypomina gałąź paraboli. Ta zasada działania utrzymuje strumień magnetyczny w szczelinie między wirnikiem a stojanem prawie stały.
Cechą kontroli skalarnej jest jej rozpowszechnienie i względna łatwość implementacji. Najczęściej stosuje się go w pompach, wentylatorach i sprężarkach. Takie chastotniki są często używane, jeśli konieczne jest utrzymanie stabilnego ciśnienia (lub innego parametru), mogą to być pompy głębinowe do studni, jeśli weźmiemy pod uwagę zastosowanie domowe.
W produkcji zakres jest szeroki, na przykład regulacja ciśnienia w tych samych rurociągach i wydajność automatycznych systemów wentylacyjnych. Zakres kontroli wynosi zwykle 1:10, najprościej mówiąc, maksymalna prędkość od minimum może różnić się 10-krotnie. Ze względu na specyfikę implementacji algorytmów i obwodów takie urządzenia są zwykle tańsze, co jest główną zaletą.
Niedogodności:
- Niezbyt precyzyjne wsparcie obrotów.
- Wolniejsza reakcja na zmianę reżimu.
- Najczęściej nie ma sposobu, aby kontrolować moment na wale.
- Wraz ze wzrostem prędkości powyżej wartości nominalnej spada moment na wale silnika (to znaczy, gdy podwyższamy częstotliwość powyżej wartości nominalnej 50 Hz).
To ostatnie wynika z faktu, że napięcie na wyjściu zależy od częstotliwości, przy częstotliwości znamionowej napięcie jest równe napięciu sieci, a chastotnik nie wie, jak go podnieść, na wykresie można zobaczyć parzystą część wykresu po 50 Hz. Należy zauważyć, że zależność momentu od częstotliwości, spada zgodnie z prawem 1 / f, pokazano na czerwono na poniższym wykresie, a zależność mocy od częstotliwości jest niebieska.
Przetworniki częstotliwości sterowane wektorem mają inną zasadę działania, tutaj nie tylko napięcie odpowiada krzywej U / f. Charakterystyka napięcia wyjściowego zmienia się zgodnie z sygnałami z czujników, dzięki czemu na wale utrzymuje się pewien moment. Ale dlaczego potrzebujemy takiej metody kontroli? Bardziej precyzyjna i szybsza regulacja to cechy przetwornicy częstotliwości sterowanej wektorem. Jest to ważne w takich mechanizmach, w których zasada działania jest związana z nagłą zmianą obciążenia i momentu obrotowego na organ wykonawczy.
Takie obciążenie jest typowe dla tokarek i innych typów maszyn, w tym CNC. Dokładność regulacji wynosi do 1,5%, zakres regulacji wynosi 1: 100, dla większej dokładności z czujnikami prędkości itp. - odpowiednio 0,2% i 1: 10000.
Na forach istnieje opinia, że dziś różnica w cenie między chastotnikami wektorowymi i skalarnymi jest mniejsza niż wcześniej (15-35% w zależności od producenta), a główną różnicą jest więcej oprogramowania układowego niż zespołu obwodów. Zauważ również, że większość modeli wektorowych obsługuje kontrolę skalarną.
Korzyści:
- większa stabilność i dokładność;
- szybsza reakcja na zmiany obciążenia i wysoki moment obrotowy przy niskiej prędkości;
- szerszy zakres regulacji.
Główną wadą jest to, że kosztuje więcej niż skalarne.
W obu przypadkach częstotliwość można ustawić ręcznie lub za pomocą czujników, na przykład czujnika ciśnienia lub przepływomierza (jeśli mówimy o pompach), potencjometru lub enkodera.
Wszystkie lub prawie wszystkie przetwornice częstotliwości mają funkcję łagodnego rozruchu, która ułatwia uruchamianie silników z generatorów awaryjnych, praktycznie bez ryzyka przeciążenia.
Liczba faz
Oprócz metod odpowiedzi chastotniki różnią się liczbą faz na wejściu i wyjściu. Wyróżnij więc przetwornice częstotliwości z wejściem jednofazowym i trójfazowym.
Jednocześnie większość modeli trójfazowych może być zasilana jedną fazą, ale dzięki tej aplikacji ich moc spada do 30-50%. Wynika to z dopuszczalnego obciążenia prądem diod i innych elementów obwodu mocy. Modele jednofazowe są dostępne w zakresie mocy do 3 kW.
Ważne! Należy pamiętać, że w przypadku połączenia jednofazowego o napięciu wejściowym 220 V, napięcie wyjściowe będzie wynosić 3 fazy 220 V, a nie 380 V. To znaczy, liniowa moc wyjściowa będzie w skrócie dokładnie 220 V. W związku z tym wspólne silniki z uzwojeniami zaprojektowanymi na napięcie 380 / 220V muszą być połączone w trójkąt, a silniki na 127 / 220V - w gwiazdę.
W sieci można znaleźć wiele ofert, np. „Przetwornica częstotliwości 220 na 380” - w większości przypadków marketing, sprzedawcy nazywają dowolne trzy fazy „380V”.
Aby uzyskać rzeczywistą wartość 380 V z jednej fazy, należy albo użyć jednofazowego transformatora 220/380 (jeśli wejście przetwornicy częstotliwości jest zaprojektowane na takie napięcie), albo użyć specjalistycznej przetwornicy częstotliwości z wejściem jednofazowym i wyjściem trójfazowym 380 V.
Odrębnym i rzadszym typem przetwornic częstotliwości są falowniki jednofazowe z jednofazowym wyjściem 220. Są przeznaczone do regulacji silników jednofazowych przy rozruchu kondensatora. Przykładami takich urządzeń są:
- ERMAN ER-G-220-01
- INNOVERT IDD
Schemat połączeń
W rzeczywistości, aby uzyskać wyjście 3-fazowe z przetwornicy częstotliwości 380 V, należy podłączyć wejście 3-fazowe 380 V:
Podłączenie chastotnika do jednej fazy jest podobne, z wyjątkiem podłączenia przewodów zasilających:
Jednofazowy przemiennik częstotliwości dla silnika z kondensatorem (pompa lub wentylator małej mocy) jest podłączony w następujący sposób:
Jak widać na schematach, oprócz przewodów zasilających i przewodów silnika, przetwornica częstotliwości ma inne zaciski, czujniki, przyciski zdalnego panelu sterowania, magistrale do podłączenia do komputera (zwykle w standardzie RS-485) i tak dalej. Umożliwia to sterowanie silnikiem za pomocą cienkich przewodów sygnałowych, co pozwala na usunięcie przetwornicy częstotliwości do panelu elektrycznego.
Chastotniki to urządzenia uniwersalne, których celem jest nie tylko regulacja prędkości, ale także ochrona silnika elektrycznego przed nieprawidłowymi trybami pracy i zasilaniem, a także przed przeciążeniem. Oprócz głównej funkcji urządzenia zapewniają płynne uruchamianie napędów, co zmniejsza zużycie sprzętu i obciążenia energetyczne. Zasada działania i głębokość ustawień parametrów większości przetwornic częstotliwości pozwala oszczędzać energię elektryczną podczas sterowania pompami (poprzednio sterowanie odbywało się nie ze względu na wydajność pompy, ale za pomocą zaworów) i innych urządzeń.
Tutaj kończymy rozpatrywanie problemu. Mamy nadzieję, że po przeczytaniu artykułu zrozumiecie, czym jest przetwornica częstotliwości i dlaczego jest ona potrzebna. Na koniec zalecamy obejrzenie przydatnego filmu na ten temat:
Na pewno nie wiesz:
Ładowanie...
