V současné době se asynchronní elektromotor stal hlavním zařízením ve většině elektrických pohonů. Stále častěji se používá k jeho ovládání frekvenčním měničem — měnič s PWM regulací. Takové řízení poskytuje mnoho výhod, ale také vytváří určité problémy při výběru určitých technických řešení. Pokusme se jim porozumět podrobněji.
Zařízení frekvenčního měniče
Vývoj a výroba široké škály výkonných, vysokonapěťových tranzistorových IGBT modulů umožnily implementovat vícefázové výkonové spínače řízené přímo digitálními signály. Programovatelné výpočetní nástroje umožnily na vstupech spínačů generovat číselné sekvence, které poskytují frekvenční řídicí signály pro asynchronní elektromotory.Vývoj a hromadná výroba jednočipových mikrokontrolérů s velkými výpočetními zdroji umožnila přejít na servoelektrické pohony s digitálním ovladače.
Výkonové frekvenční měniče jsou zpravidla realizovány podle obvodu obsahujícího usměrňovač s výkonnými výkonovými diodami nebo tranzistory a střídač (řízený spínač) s IGBT tranzistory bočními diodami (obr. 1).
Rýže. 1. Obvod frekvenčního měniče
Vstupní stupeň usměrňuje přiváděné sinusové síťové napětí, které po vyhlazení pomocí indukčně-kapacitního filtru slouží jako zdroj energie pro řízený měnič, který za působení digitálních řídicích povelů vytváří pulzně modulovaný signál generující sinusový proudy ve vinutí statoru s parametry zajišťujícími požadovaný provozní režim elektromotoru .
Digitální řízení výkonového měniče se provádí pomocí hardwaru a softwaru mikroprocesoru odpovídajících zadaným úlohám. Výpočetní zařízení generuje v reálném čase řídicí signály pro 52 modulů a zpracovává také signály z měřicích systémů, které řídí chod pohonu.
Napájecí zařízení a řídicí výpočetní zařízení jsou spojeny do konstrukčně navrženého průmyslového produktu zvaného frekvenční měnič.
V průmyslových zařízeních se používají dva hlavní typy frekvenčních měničů:
- značkové měniče pro konkrétní typy zařízení.
- univerzální frekvenční měniče jsou určeny pro víceúčelové řízení provozu IM v uživatelsky zadaných režimech.
Instalaci a ovládání provozních režimů frekvenčního měniče lze provádět pomocí ovládacího panelu vybaveného obrazovkou pro zobrazení zadaných informací. V jednoduché verzi skalárního řízení frekvence můžete použít sadu jednoduchých logických funkcí dostupných v továrním nastavení regulátoru a vestavěný PID regulátor.
Pro implementaci složitějších režimů řízení pomocí signálů ze zpětnovazebních senzorů je nutné vyvinout strukturu ACS a algoritmus, který by měl být naprogramován pomocí připojeného externího počítače.
Většina výrobců vyrábí řadu frekvenčních měničů, které se liší vstupními a výstupními elektrickými charakteristikami, výkonem, konstrukcí a dalšími parametry. Pro připojení k externímu zařízení (napájení, motor) lze použít další externí prvky: magnetické spouštěče, transformátory, tlumivky.
Typy řídicích signálů
Je nutné rozlišovat mezi různými typy signálů a pro každý z nich použít samostatný kabel. Různé typy signálů se mohou navzájem ovlivňovat. V praxi k takovému oddělení dochází často, např. kabel od tlakového snímače lze připojit přímo k frekvenčnímu měniči.
Na Obr. 2 ukazuje doporučenou možnost připojení pro měnič kmitočtu v přítomnosti různých obvodů a řídicích signálů.
Rýže. 2. Příklad zapojení silových obvodů a řídicích obvodů frekvenčního měniče
Lze rozlišit následující typy signálů:
- analogové – napěťové nebo proudové signály (0 V, 10/0 mA), jejichž hodnota se mění pomalu nebo zřídka, obvykle se jedná o řídicí nebo měřicí signály;
- diskrétní napěťové nebo proudové signály (0 V, 10/0 mA), které mohou nabývat pouze dvou zřídka se měnících hodnot (vysoké nebo nízké);
- digitální (datové) – napěťové signály (0 V, 5 V), které se rychle a s vysokou frekvencí mění, obvykle se jedná o signály z portů RS0, RS10 atd.;
- relé – kontakty relé (0 VAC) mohou spínat indukční proudy v závislosti na připojené zátěži (externí relé, svítilny, ventily, brzdy atd.).
Výběr výkonu frekvenčního měniče
Při volbě výkonu frekvenčního měniče je nutné vycházet nejen z výkonu elektromotoru, ale také ze jmenovitých proudů a napětí měniče a motoru. Faktem je, že udávaný výkon frekvenčního měniče platí pouze pro jeho provoz se standardním 4-pólovým asynchronním elektromotorem ve standardních aplikacích.
Skutečné pohony mají mnoho aspektů, které mohou způsobit zvýšení aktuálního zatížení pohonu, například při spouštění. Obecně použití frekvenčního měniče umožňuje snížit proudové a mechanické zatížení díky měkkému rozběhu. Například startovací proud se sníží z 600 % na 100-150 % jmenovité hodnoty.
Jízda při snížené rychlosti
Je třeba připomenout, že ačkoliv frekvenční měnič bez problémů zajistí regulaci otáček 10:1, při chodu motoru v nízkých otáčkách nemusí výkon vlastního ventilátoru stačit. Je nutné sledovat teplotu motoru a zajistit nucenou ventilaci.
Elektromagnetická kompatibilita
Protože je frekvenční měnič výkonným zdrojem vysokofrekvenčních harmonických, musí být pro připojení motorů použit stíněný kabel o minimální délce. Takový kabel musí být položen ve vzdálenosti minimálně 100 mm od ostatních kabelů. To minimalizuje rušení. Pokud potřebujete křížit kabely, křížení se provádí pod úhlem 90 stupňů.
Napájení z nouzového generátoru
Měkký start poskytovaný frekvenčním měničem umožňuje snížit požadovaný výkon generátoru. Vzhledem k tomu, že při takovém startu se proud sníží 4-6krát, výkon generátoru lze snížit podobným počtem. Ale přesto musí být mezi generátor a měnič instalován stykač, ovládaný z reléového výstupu měniče kmitočtu. To chrání frekvenční měnič před nebezpečným přepětím.
Napájení třífázového měniče z jednofázové sítě
Třífázové měniče kmitočtu lze napájet z jednofázové sítě, jejich výstupní proud by však neměl překročit 50 % jmenovitého proudu.
Úspora energie a peněz
K úsporám dochází z několika důvodů. Jednak kvůli růstu kosinus phi na hodnoty 0.98, tzn. maximální výkon je využit k provedení užitečné práce, minimální jde do ztrát. Za druhé, koeficient blízký tomuto je získán ve všech provozních režimech motoru.
Bez frekvenčního měniče mají asynchronní motory při nízkém zatížení kosinus phi 0.3-0.4. Do třetice není potřeba žádné dodatečné mechanické seřizování (klapky, plyn, ventily, brzdy atd.), vše probíhá elektronicky. S takovým ovládacím zařízením mohou úspory dosáhnout 50 %.
Synchronizujte více zařízení
Díky přídavným řídicím vstupům frekvenčního měniče je možné synchronizovat procesy na dopravníku nebo nastavit poměr změn některých veličin v závislosti na jiných. Například nastavte rychlost otáčení vřetena stroje v závislosti na rychlosti posuvu frézy. Proces bude optimalizován, protože při zvýšení zatížení frézy se posuv sníží a naopak.
Ochrana sítě před vyššími harmonickými
Pro dodatečnou ochranu se kromě krátkých stíněných kabelů používají síťové tlumivky a bočníkové kondenzátory. Tlumivka také omezuje proudový ráz při zapnutí.
Výběr správné třídy ochrany
Pro bezproblémový provoz frekvenčního měniče je nutný spolehlivý chladič. Pokud používáte vysoké třídy ochrany, například IP 54 a vyšší, pak je obtížné nebo drahé dosáhnout takového odvodu tepla. Proto můžete použít samostatnou skříň s vysokou třídou ochrany, kam můžete umístit moduly s nižší třídou a zajistit celkové větrání a chlazení.
Paralelní připojení elektromotorů k jednomu frekvenčnímu měniči
Za účelem snížení nákladů lze jeden frekvenční měnič použít k řízení několika elektromotorů. Jeho výkon musí být zvolen s rezervou 10-15% z celkového výkonu všech elektromotorů. V tomto případě je nutné minimalizovat délku motorových kabelů a je velmi vhodné instalovat motorovou škrticí klapku.
Většina měničů kmitočtu neumožňuje odpojení nebo připojení motorů pomocí stykačů, když je měnič kmitočtu v chodu. To lze provést pouze pomocí příkazu zastavení pohonu.
Nastavení funkce ovládání
Pro získání maximálních výkonových ukazatelů elektrického pohonu, jako jsou: účiník, účinnost, přetížitelnost, plynulé ovládání, životnost, je potřeba správně zvolit vztah mezi změnou provozní frekvence a napětím na výstupu frekvenčního měniče.
Funkce změny napětí závisí na povaze zatěžovacího momentu. Při konstantním momentu musí být napětí na statoru elektromotoru regulováno úměrně frekvenci (skalární regulace U/F = konst). U ventilátoru je například jiný poměr U/F*F = konst. Zvýšíme-li frekvenci 2x, pak je třeba zvýšit napětí o 4 (vektorová regulace). Existují pohony se složitějšími řídicími funkcemi.
Výhody použití regulovatelného elektropohonu s frekvenčním měničem
Kromě zvýšení účinnosti a úspory energie vám takový elektrický pohon umožňuje získat nové kvality řízení. To se projevuje v odmítnutí dalších mechanických zařízení, která vytvářejí ztráty a snižují spolehlivost systémů: brzdy, tlumiče, škrticí klapky, ventily, regulační ventily atd. Brzdění lze například provádět obráceným otáčením elektromagnetického pole ve statoru elektromotoru. Změnou pouze funkčního vztahu mezi frekvencí a napětím získáme jiný pohon, aniž bychom cokoliv měnili v mechanice.
Čtení dokumentace
Je třeba poznamenat, že ačkoli jsou frekvenční měniče navzájem podobné a po zvládnutí jednoho je snadné porozumět druhému, je však nutné pečlivě číst dokumentaci. Někteří výrobci ukládají omezení na používání svých výrobků, a pokud je poruší, vyjmou výrobek ze záruky.
Zdroj: LLC “SV-Technoelectro”
Přihlaste se k odběru Elec.ru. Jsme v Telegramu, VKontakte a Odnoklassniki
Frekvenční měniče (neboli frekvenční měniče) jsou elektronické zařízení pro regulaci frekvence střídavého napětí. Hlavním úkolem střídače je měnit otáčky a točivý moment asynchronních elektrických strojů. Princip činnosti řízení a regulace je založen na závislosti rychlosti rotace magnetického pole na frekvenci napájecího napětí.
Frekvenční měnič pro asynchronní motor
Asynchronní elektromotory jsou široce používány jako pohony pro průmyslová zařízení, čerpací jednotky, regulační ventily a další zařízení. Hlavní nevýhodou těchto elektrických strojů je konstantní rychlost otáčení, vysoké startovací proudy. Pomocí frekvenčních měničů je možné tyto nedostatky odstranit a výrazně rozšířit pole působnosti střídavých motorů.
Samotný princip frekvenční regulace asynchronního motoru byl nastíněn již ve 30. letech. Ale vzhledem ke složitosti technické realizace a slabé materiálové základně existující v té době v oblasti výkonových spínačů byl odladěn na pozdější dobu. A s rychlým rozvojem výkonových tranzistorů a tyristorů IGBT se vývojář mohl vrátit k tématu regulace frekvence.
V závislosti na typu použitého motoru a vlastnostech elektrické sítě mohou být frekvenční měniče navrženy pro jednofázové nebo třífázové napájení. Jednofázový režim odpovídá jmenovitému síťovému napětí – 220 V a třífázový – 380 V.
Princip činnosti frekvenčních měničů
Obecný princip činnosti všech frekvenčních měničů, bez ohledu na jejich modifikace, se scvrkává na následující:
- usměrnění napájecího proudu (přes skupinu diod)
- vybudování signálu o požadované frekvenci (přes skupinu tranzistorů s podporou mikrokontroléru)
- charakteristika filtru při převodu signálu
- konečné vytvoření výstupního signálu požadovaných parametrů (pomocí indukčnosti)
Různé modely umožňují implementovat následující typy připojení:
- jednofázový vstup – jednofázový výstup
- jednofázový vstup – třífázový výstup
- třífázový vstup – třífázový výstup
Vlastnosti provozu frekvenčního měniče 220V
Použití frekvenčního generátoru 220 V je opodstatněné při použití jednofázové (domácí) elektrické sítě. V tomto případě je možné na výstupu získat signál, který umožňuje řídit třífázový asynchronní motor.
Pro optimalizaci provozu tohoto typu zařízení je motor zapojen do trojúhelníkové konfigurace. Tím se zabrání výrazné ztrátě energie v systému.
Frekvenční měniče 220V určené pro jednofázové elektromotory lze snadno a jednoduše implementovat do stávajících instalací. Frekvenční generátory fungují jako mezičlánek mezi elektromotorem a napájecí sítí. Po správném propojení „fáze“ a „nuly“ zbývá pouze nakonfigurovat provozní parametry, které optimalizují provoz měniče.
Vlastnosti provozu frekvenčního měniče 380V
Důležitou vlastností třífázového měniče je nejen klasické připojení přímo z rozvodné desky třífázové napájecí sítě, ale také schopnost frekvenčního měniče tohoto typu pracovat z jedné fáze. V tomto případě bude výstupní signál reprezentovat každou ze tří fází 220 V, nikoli 380 V. Zapojení v tomto případě probíhá následovně: elektromotory určené pro napětí 380 V / 220 V jsou vypnuty trojúhelníkem , a elektromotory napájené ze sítě 127 V/220 V – „hvězda“.
Pro získání hodnoty výstupního napětí 380V je při připojení třífázového frekvenčního generátoru do jednofázové sítě nutné použít jednofázový transformátor 220/380V. Světoznámé značky elektrotechnických výrobků vyrábějí specializované frekvenční měniče se zabudovaným zvyšovacím transformátorem. Na výstupu takové jednotky z jednofázové sítě 220V je vydáváno třífázové napětí 380V.
