Асинхронные двигатели, которые часто используют при производстве различного оборудования, имеют два больших недостатка. Первый — неизменная скорость вращения, второй — высокий входной ток, необходимый для первого включения. Для исправления ситуации применяют разные устройства. Это вариаторы, гидравлические муфты и т. д. Но и у них есть некоторые минусы, например, сложность конструкции и высокая себестоимость.

На их фоне существенно выделяется частотный преобразователь — устройство, выполняющие те же самые функции, но более качественно. Что он собой представляет? Насколько целесообразно его использование?

Что такое частотный преобразователь

Частотным преобразователем называют устройство, главная задача которого — менять частоту одно- и трехфазного тока. Изначально этот показатель равен 50Гц. После того, как ток проходит через частотник, частота может быть от 1 до 800Гц. Чаще всего его используют для работы с оборудованием, на котором установлен асинхронный двигатель. Почему именно с ним? Потому что двигатели такого типа отличаются большими значениями входного тока, необходимого для их первого запуска, и неизменной скоростью вращения.

Все частотные преобразователи считаются сложными по конструкции устройствами. Она состоит не только из непосредственно преобразователя, но и из механизмов, защищающих от перегрузок, скачков напряжения и коротких замыканий. Также в ней может быть дроссель и специальный фильтр, которые улучшают сигнал и снижают количество электромагнитных помех.

Устройство частотного преобразователя

Самая простая схема устройства состоит из таких элементов:

• звено постоянного тока (неуправляемый выпрямитель и фильтр);
• силовой инвертор;
• система управления.

Звено постоянного тока трансформирует переменное напряжение в постоянное. Сначала ток попадает в выпрямитель, а после на транзисторные ключи, благодаря которым происходит соединение асинхронного двигателя и звена постоянного тока. Эти ключи называют силовым импульсным инвертором. Он выполняет основную работу — преобразовывает выпрямленное напряжение в трехфазный переменный ток с нужной частотой и амплитудой. Эти значения и передаются на обмотку статора.

Сферы применения

Частотные преобразователи устанавливают во многих видах оборудования. Примерный список выглядит так:

• насосы, подающие горячую и холодную воду в централизованные системы отопления и водоснабжения;
• дополнительное оборудование для котельных, ТЭС и т.д.;
• краны, грузоподъемные машины;
• мельницы, мешалки, различного типа дробилки;
• насосы, которые используют на обогатительных предприятиях;
• лифты, прокатные станы, конвейеры;
• центрифуги разного назначения;
• станки для изготовления ленточных материалов;
• краны, эскалаторы;
• оборудование для силовых манипуляций;
• станки для бурения скважин.

В случае с лифтами и прокатными станами частотники способствуют их более плавному передвижению. Благодаря этому продлевается срок эксплуатации механических узлов. Кранам преобразователи позволяют плавно перемещать грузы, останавливаться в установленном месте. Также они предотвращают нагревание двигателя.

Использование частотных преобразователей в указанных сферах имеет пользу с точки зрения экономики. Во-первых, уменьшается количество потребляемой электрической энергии. Во-вторых, оборудование и машины реже выходят из строя, а, значит, их реже приходится ремонтировать. Покупка и установка частотников в некоторых случаях окупается уже через 3 месяца.

Система классификации

Все частотные преобразователи делятся на 2 большие группы: электромашинные и электронные. Каждый имеет свои особенности.

Электромашинные

По-другому называются электроиндукционными. Их устанавливают только тогда, когда нет возможности или невыгодно использовать устройства другого вида. По конструкции такие частотники представляют собой обычный асинхронный двигатель с установленным в нем фазным ротором. Работает он по принципу генератора-преобразователя. Управление скалярное. Сфера применения — оборудование, которое не нуждается в поддержании скорости вращения ротора при разных по силе нагрузках. Это вентиляторы, насосы и другие подобные устройства.

Электронные

Это полупроводниковые устройства, в состав которых входит силовая часть на транзисторах/тиристорах и схема управления, в основе которой лежат микроконтроллеры. Используют вместе с одно- и трехфазными приводами.

Электронные частотные преобразователи делятся на 2 подвида.

Непосредственные частотники

Включаются сразу в электрическую сеть. В основе конструкции лежат быстродействующие преобразователи с тиристорами, подключающиеся по мостовой, перекрестной, нулевой и другим схемам.

Преимущества непосредственных преобразователей:

1. Есть возможность рекуперировать электрическую энергию в сеть в тот период, когда двигатель начинает торможение. Рекуперация — уменьшение ввода энергии в общую систему благодаря обмену этой же энергией между разными подсистемами. Происходит двухсторонний обмен.
2. Высокий показатель КПД благодаря тому, что преобразование частоты происходит единоразово.
3. При необходимости к системе можно подключить дополнительные преобразователи. За счет этого можно увеличить общую мощность.
4. Большой диапазон низких частот. Использование преобразователей такого типа позволяет приводам работать на небольших скоростях.

Из минусов частотных преобразователей такого типа особо выделяется невозможность выдавать на выходе частоту выше той, которая в сети. Получается, что с их помощью можно только уменьшать скорость вращения электродвигателя. А это значит, что наиболее эффективно они работают только с высоко- и среднескоростными приводами.

Преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока

Работают по принципу двойного преобразования. Сначала система напряжение из электрической сети преобразовывает в постоянный ток. После он сглаживается и превращается в напряжение с заданными параметрами частоты.

Плюс частотников с промежуточным звеном:

1. На выходе можно получать частоту выше или ниже той, которая в сети. Благодаря этому устройство может работать с электроприводами любого типа: низкоскоростные, высокоскоростные и среднескоростные.
2. На выходе подается напряжение чистой синусоидальной формы. Оно обеспечит бесперебойную работу абсолютно любой техники.
3. Частотные преобразователи с двойным преобразованием позволяют строить простые и сложные схемы для разных типов электроприводов, с разной скоростью реагирования и диапазоном рабочих скоростей.
4. Такие частотники без проблем адаптируются к сети с постоянным током. То есть, при необходимости их можно подключить к дополнительным источникам питания, не используя при этом какое-то оборудование и различные переходники.
5. Преобразователи с промежуточным звеном могут работать почти со всеми видами электроприводов. Хороший пример — устройства, требующие максимально точного регулирования показателей.

Минусами таких частотников считаются вес и размеры. Но это даже не минус, а особенность конструкции, которая включает в себя ряд дополнительных элементов. Еще одним неприятным моментом является незначительное уменьшение общего КПД на фоне двойного преобразования.

Частотные преобразователи такого типа состоят из нескольких деталей:

1. Выпрямитель. Бывает диодным и тиристорным. Для первых характерно практически полное отсутствие пульсации, низкая цена, надежность. Но с ними не получится рекуперировать энергию при торможении электродвигателя. Тиристорные выпрямители пропускают ток в обе стороны, а также дают возможность отключать его от сети без использования каких-либо дополнительных устройств.
2. Фильтр. Бывает емкостным и индуктивно-емкостным. Также используют реакторы. Предназначен для сглаживания пульсации напряжения на выходе из тиристорного выпрямителя.
3. Инвертор. В конструкции частотных преобразователей есть 2 типа инверторов: для напряжения и для тока. Первые дают на выходе так называемый чистый синус, поэтому считаются более востребованными. Вторые позволяют делать рекуперацию электрической энергии, благодаря чему подходят для установки на оборудование с частыми пусками и остановками. Пример — подъемный кран.

Еще одна важная деталь — микропроцессор. По сути, это блок управления. Он принимает и проводит анализ данных, поступающих с датчика, сотрудничает с высшими по уровню системами, записывает информацию о событиях, задает току на выходе нужную частоту. Плюсом к перечисленным функциям идут защита от перегрузок и других аварийных ситуаций.

Управление частотными преобразователями

Принцип управления частотниками является одним из параметров для разделения на виды. Так, выделяют два типа устройств: со скалярным управлением и с векторным, как например, преобразователь частоты MCI-G45/P55-4.

Частотники со скалярным типом управления выдают напряжение с заданными показателями и целью поддержать нужный магнитный поток в обмотках на статоре. Они стоят дешевле устройств другого вида, а также отличаются простотой конструкции. Подходят для работы с несколькими электродвигателями одновременно. Чаще всего такое оборудование устанавливают на приводах насосов, вентиляторов и других устройств, которые не нуждаются в поддержании определенной скорости ротора.

Преобразователи с векторной системой управления в автоматическом режиме определяют, как проходит взаимодействие магнитного поля статора с полем ротора. Благодаря им ротор вращается с постоянной частотой без привязки к силе оказываемой на него нагрузки. Такие устройства нужны на оборудовании, которое нуждается в высокой скорости реагирования.

Частотные преобразователи с векторной системой управления бывают 2 видов. Первый — бездатчиковые. Они нужны нетребовательным приводам. Второй — с обратной связью по скорости. Такие изделия устанавливают на приводы, отличающиеся расширенным диапазоном изменения скорости вращения, а также на те, которые нуждаются в поддержании точной частоты вращения или пуске электродвигателя с номинальным моментом.

Режимы управления частотными преобразователями

Управлять работой частотников можно несколькими способами:

1. Ручной. Двигатель запускают или останавливают путем нажатия кнопки на панели управления или пульте преобразователя. Последний при этом может менять частоту его вращения и делать остановки при возникновении нетипичных ситуаций.
2. Внешний. Руководить работой преобразователя и, соответственно, двигателя, можно с компьютера, расположенного на удалении от них.
3. Дискретные входы или «сухие контакты». В этом случае частотный преобразователь является исполнителем указаний внешней системы управления.

Также существует режим управления в зависимости от событий. Он подразумевает предварительную установку времени пуска и отключения двигателя, его перевод на работу в другом режиме. Благодаря этим особенностям такие преобразователи чаще других используют для работы с полностью автоматизированным оборудованием.

Преимущества преобразователей частоты

Как любое другое электротехническое оборудование, частотники имеют свои сильные стороны. Вот некоторые из них:

1. Экономия электрической энергии. Во-первых, уменьшается пусковой ток. А во-вторых, можно менять мощность двигателя в зависимости от оказываемой в текущий момент времени на него нагрузки. В-третьих, используя преобразователи частоты, можно отказаться от других регулирующих устройств, которые также потребляют электроэнергию.
2. Увеличение срока эксплуатации промышленного оборудования. Благодаря преобразователям станки и другие механизмы плавно запускаются и работают соответственно той нагрузке, которая на них оказывается. Следовательно, они реже выходят из строя.
3. Нет необходимости в техническом обслуживании. Конструкция частотников не содержит движущиеся элементы, которые нужно регулярно чистить и смазывать.
4. Универсальность. Преобразователи отлично работают как с маломощными электродвигателями с мощностью до 1 кВт, так и с теми, мощность которых несколько десятков МВт.

Большим плюсом является и возможность управлять оборудованием и контролировать его параметры удаленно. На крупных предприятиях частотные преобразователи встраивают в многоступенчатые системы автоматизации.

Особенности и правила подключения

При подключении частотного преобразователя обязательно нужно установить защитный автомат. Если частотник подключается к сети, в которой трехфазное напряжение, автомат тоже должен быть трехфазным. Рычаг отключения при этом должен быть общим. Это нужно для того, чтобы в аварийных ситуациях отключать всю систему сразу.

И еще один момент, касающийся автоматов. Их нельзя устанавливать в разрыв нулевого кабеля. Причем касается это как одно-, так и трехфазного подключения. Почему? Если автомат сработает при разрыве фазового кабеля, преобразователь и двигатель в целом останутся без питания. Если сработает автомат, установленный в нулевой кабель, двигатель остановится. Но его обмотки, а также цепи частотника все так же будут под напряжением. А это представляет опасность для человека.

Также ни в коем случае нельзя разрывать заземляющий кабель.

После установки защитных автоматов нужно подключить преобразователь к двигателю. Обмотки последнего подключают по одной из схем. Это может быть треугольник или звезда. Обычно подобная информация записана в инструкции.

Разобраться в схемах соединения поможет маркировка на двигателе. На нем должно быть записано 2 значения напряжения. Если частотник подходит под меньшее, обмотки подключают по схеме «треугольник». В остальных случаях задействуется «звезда»

Последний этап — установка выносного пульта управления. Его можно разместить в любом подходящем месте и необязательно рядом с частотником. Главное, чтобы было удобно.

После подключения нужно провести первый запуск двигателя и настройку оборудования. Для этого сначала стоит рукоятку, регулирующую скорость вращения вала двигателя, перевести в наименьшее возможное положение. После, включив автомат, пустить на частотник напряжение. На панели управления загорятся индикаторы и первоначальные показатели всех величин.

Далее нужно нажать пусковую кнопку на частотнике. После того, как двигатель начнет вращение, нужно задать ему частоту. На этом все. Запуск осуществлен.

Техника безопасности

Несмотря на простоту конструкции частотного преобразователя, при работе с ним нужно соблюдать ряд правил. Список таков:

1. При работе со шкафом управления и любыми его элементами нужно отключать идущее на него питание.
2. Даже после того, как погаснут индикаторы, в цепи может оставаться напряжение. Поэтому после отключения оборудования до 7 кВт нужно подождать около 5 минут, а с оборудованием больше 7 кВт — четверть часа. За это время конденсаторы успеют разрядиться.
3. Согласно правилам техники безопасности, у каждого частотного преобразователя должно быть заземление. Однако нельзя делать его из нулевого кабеля. Это должен быть отдельный провод.
4. При нажатии клавиши отключения на частотнике, прекращается подача питания на электродвигатель. Но это не значит, что его не будет в цепи. Некоторые ее элементы останутся под напряжением.

Также важно обращать внимание на соответствие характеристик преобразователя частоты и двигателя. Так, например, для их соединения важно использовать кабели, свойства которых указаны в инструкции. Нарушать эти нормы в меньшую сторону нельзя. В большую допустимо, но бессмысленно.

Особенности ухода

Частотный преобразователь, как и любое другое оборудование, нуждается в уходе. Есть несколько рекомендаций:

1. Время от времени чистить внутренние поверхности от скопившейся пыли.
2. Проверять состояние узлов и, если необходимо, менять их.
3. Поддерживать подходящую рабочую температуру — максимум 40°С.
4. Минимум 1 раз в 3 года менять термопасту, нанесенную на силовые элементы.

Также стоит следить за уровнем влажности в помещении.

Итак, частотный преобразователь — оборудование, которое во много раз улучшает работу асинхронных электродвигателей. Оно не только делает их универсальными, позволяя работать на любых станках, насосах, машинах и т.д. Но и защищает от перепадов напряжения и других аварийных ситуаций. И это еще не все. Их использование — это снижение потребления электроэнергии в несколько раз, а также продление срока эксплуатации всех механизмов.