Частотный преобразователь. Критерии и алгоритм выбора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

Кафедра « Автоматизации и робототехники»

Реферат

на тему: Частотный преобразователь. Критерии и алгоритм выбора

по дисциплине: «Электромеханические системы»

Выполнил: Долотин В.В.

Проверил: Ибатуллин А.А.

Омск 2014

Содержание

1. Технические аспекты применения частотных преобразователей

2. Выбор мощности частотного преобразователя

3. Электромагнитная совместимость

4. Питание трехфазного преобразователя от однофазной сети

5. Экономия электроэнергии и денег

6. Защита сети от высших гармоник

7. Правильный выбор класса защиты

8. Параллельное подключение электродвигателей к одному частотному преобразователю

9. Задание функции регулирования

Заключение

1. Технические аспекты применения частотных преобразователей

В настоящее время, асинхронный электродвигатель стал основным устройством в большинстве электроприводов. Все чаще для управления им используется частотный преобразователь - инвертор с ШИМ регулированием. Такое управление дает массу преимуществ, но и создает некоторые проблемы выбора тех или иных технических решений. Попробуем разобраться в них более подробно.

Частотный преобразователь, другие названия автоматический регулятор частоты, инвертор, предназначен для преобразования входного напряжение 110В/220В/380В частотой 50-60Гц, в выходное импульсное напряжение с частотой от 0Гц до 400Гц и формирования в обмотках двигателя синусоидального тока регулируемой амплитуды и частоты и соответственно - плавного изменения оборотов электродвигателя. Преобразование напряжения в инверторе производится посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Частотный преобразователь позволяет изменять направление вращения вала двигателя и обеспечивает его плавный пуск и остановку. Многие инверторы (частотные преобразователи) имеют на лицевой панели дисплеи, на которых отображаются основные параметры: заданная скорость, значение крутящего момента на валу электродвигателя, выходная частота, ток и напряжение обмоток двигателя, выходная мощность, время работы, состояние дискретных входов и др.Управление преобразователем частоты может осуществляться со встроенной или выносной панели управления, или же - с помощью внешних сигналов, аналоговых - для задания оборотов (0-10В / 4-20мA) и дискретных - для пуска, останова и изменения режимов вращения

частотный преобразователь электромагнитный мощность

2. Выбор мощности частотного преобразователя

При выборе мощности частотного преобразователя необходимо основываться не только на мощности электродвигателя, но и на номинальных токах и напряжениях преобразователя и двигателя. Дело в том, что указанная мощность частотного преобразователя относится только к эксплуатации его со стандартным 4-х полюсным асинхронным электродвигателем в стандартном применении.

Реальные приводы имеют много аспектов, которые могут привести к росту токовой нагрузке привода, например, при пуске. В общем случае, применение частотного привода позволяет снизить токовые и механические нагрузки за счет плавного пуска. Например, пусковой ток снижается с 600% до 100-150% от номинального.

Мощность является одним из наиболее основных параметров электропривода. При выборе частотного преобразователя, в первую очередь, следует определится с его нагрузочной способностью. В соответствии с имеющейся номинальной мощностью двигателя выбирается преобразователь частоты, рассчитанный на такую же мощность. И такой выбор будет являться правильным при условии, что нагрузка на валу не будет динамично изменяться, ток не будет значительно превышать номинальное установленное значение, как для данного двигателя, так и преобразователя. Поэтому более корректным было бы производить выбор по максимальному значению тока потребляемого двигателем от частотного преобразователя с учетом перегрузочной способности последнего. Обычно способность к перегрузкам указывается в процентах от номинального тока совместно с максимально допустимым временем действия данной перегрузки до активации непосредственной защиты. Таким образом, для правильного выбора нужно знать характер перегрузок именно вашего механизма, в частности: каков уровень перегрузок, какова их длительность и как часто они появляются.

1. Уравнение номинальной мощности Pн = 10-3V3 Uн Iн зн cos ц.

2. Уравнение номинального момента вращения Mн = ( 9565 Pн ) / nн , где мощность выражена в кВт, момент вращения в Нм, Uн - линейное напряжение.

Таким образом, при простом выборе частотного преобразователя известной Вам серии достаточно определить потребный выходной ток и проверить соответствие мощности выбранного преобразователя мощности электродвигателя.

Индивидуальные особенности ЧП будут зависеть от конкретного промышленного механизма.

Рассмотреть всё существующее множество общепромышленных механизмов, применяемых сегодня на фабриках, в заводских цехах, на электростанциях и других предприятиях и написать отдельную методику выбора ЧП для каждого из этого множества в одном методическом пособии невозможно.

Однако многие из этих механизмов имеют аналогичные виды движений рабочих органов, схожие характеры моментов и сил сопротивления, режимы работы и другие характеристики рабочих процессов. Приведем несколько примеров.

Для подъемно-транспортных работ во всех отраслях используются краны, тельферы, лебедки, лифты; перекачка жидкостей и газов, вентиляция, снабжение сжатым воздухом производятся с помощью насосов, вентиляторов, компрессоров; конвейеры, транспортеры, эскалаторы, нории - механизмы для транспортировки грузов и продукции…

Можно и далее приводить примеры однотипных механизмов, но вывод от этого не изменится - механизмы в зависимости от места использования будут отличаться лишь мощностью и индивидуальными особенностями технологического процесса. В этом случае необходимо выбирать преобразователь для электропривода, относящегося к группе типовых промышленных механизмов. Задача выбора упрощается тем, что каждая выпускаемая серия преобразователей частоты ориентирована на свою основную область применения.

Для управления асинхронными двигателями выбираем следующие типовые серии преобразователей различных мощностей:

Насосные преобразователи. Основная область использования - разнообразные приводы промышленных механизмов с “вентиляторной нагрузкой”.

Преобразователи общепромышленного применения. Они широко используется в производственных линиях, технологическом оборудовании, легко адаптируется к разным видам нагрузки.

Преобразователи векторного типа. Рекомендуются для механизмов с динамично меняющимися характеристиками и тяжелыми условиями пуска.

Порядок выбора серии преобразователя и определение его характеристик для типовых групп механизмов:

Насосные преобразователи. Специализированная серия преобразователей разработана нами для управления механизмами, предназначенными для транспортировки жидкостей и газов. Эти механизмы подразделяются на три группы:

- насосы;

- вентиляторы;

- компрессоры.

Чаще всего реобразователи ориентированы на наиболее распространенную в настоящее время группу насосов, вентиляторов и компрессоров центробежного типа, которые имеют так называемую вентиляторную нагрузку.

Отличительными особенностями преобразователей этой серии, которые обусловлены типом нагрузки, являются:

- скалярное управление с фиксированным соотношением между напряжением питания и частотой питающего напряжения (U/f);

- отсутствие встроенных и дополнительных тормозных устройств;

- пониженная перегрузочная способность по моменту в пределах 15% - 20%.

Некоторое упрощение функций преобразователя позволило снизить стоимость, упростить обслуживание и предложить его для массового внедрения на многих объектах в различных отраслях.

При выборе ЧП для мощных вентиляторов, дымососов, компрессоров с большими инерционными массами необходимо обратить внимание на возможность ограничения пусковых токов. Ограничение пусковых токов требуется также для исключения гидроударов в трубопроводах. Ограничение пусковых токов требуется также для исключения гидроударов в трубопроводах.

Необходимо также, чтобы в преобразователе для исключения ударных нагрузок на двигатель и механическую часть привода имелась функция плавного пуска. Благодаря ей Вы сможете выставить время разгона или торможения электродвигателя независимо друг от друга в довольно широких пределах.

Частотные преобразователи общепромышленного применения и специализированные серии преобразователей, работающих на вентиляторную нагрузку, со скалярным управлением достаточны для большинства практических применений. Однако для отдельной группы механизмов они не обеспечивают потребных динамических характеристик и точности поддержания скорости вращения.

Кроме того, для некоторых механизмов требуется непосредственное управление моментом двигателя и поддержание его на заданном уровне, особенно при скорости, близкой к нулевой. К этой группе механизмов относятся:

1. Подъемно-транспортное оборудование - лифты, краны, лебедки, подъемники… Механизмы характеризуются полным моментом при пуске и малых скоростях, требуют подъема и опускания груза без рывков, точного поддержание заданной скорости движения на установившихся режимах, мягкого останова.

2. Прокатные и полосовые станы, волочильные станки, устройства намотки/размотки… Механизмы отличаются значительным моментом нагрузки, динамичным и контролируемым изменением скорости при ускорении и замедлении, требуют точного управления натяжением рабочего материала.

3. Металлообрабатывающие станки. В процессе работы требуются большие моменты при ускорении и замедлении, точное позиционирование, высокие динамические характеристики.

4. Экструдеры, дозаторы, шнековые механизмы… Устройства отличают большие пусковые моменты, постоянная мощность на определенных скоростях, необходимость управления моментом при изменении скорости. Для эффективного и точного управления механизмами этой группы необходимо использовать частотные преобразователи векторного типа. Они обеспечивают высокие динамические и статические характеристики привода на переходных и установившихся режимах.

3. Электромагнитная совместимость

Поскольку частотный преобразователь мощный источник высокочастотных гармоник, то для подключения двигателей нужно использовать экранированный кабель минимальной длины. Прокладку такого кабеля необходимо вести на расстоянии не менее 100 мм от других кабелей. Это минимизирует наводки. Если нужно пересечь кабели, то пересечение делается под углом 90 градусов.

Надежность частотного преобразователя - это, прежде всего, длительная безотказная работа в стандартном режиме плюс работа в условиях периодических перегрузок, а также продуманная система обработки аварийных и предупредительных сигналов, включающая как стандартные защиты (от короткого замыкания, по току, температуре и т.п.), так и специализированные Кроме перечисленного, это еще обеспечение высокого уровня электромагнитной совместимости (ЭМС). Данный аспект работы рассмотрим более подробно.

Все модификации векторных преобразователей частоты оснащены сетевым фильтром и фильтром в звене постоянного тока. Наличие этих фильтров обеспечивает приемлемый уровень ЭМС для большинства приложений. Встроенный фильтр позволяет минимизировать наводки и помехи в электронном оборудовании и таким образом обеспечивает требования по электромагнитной совместимости

Преобразователи частоты серии имеют дополнительный входной фильтр (фильтр гармоник), и поэтому нет необходимости приобретать внешний дроссель (экономия до 10 % от стоимости преобразователя). При полной нагрузке показатель гармоник у преобразователей частоты не превышает 43 %. Данный фильтр уменьшает негативное воздействие на сеть и подключенное к ней оборудование, а также увеличивает срок службы самого частотного привода. Дополнительным эффектом его присутствия является уменьшение потерь в трансформаторах и кабелях.

Отсутствие входных фильтров в частотном преобразователе может приводить к дополнительному нагреву питающего трансформатора, импульсным помехам, изменениям формы питающего напряжения, что может вызвать выход из строя оборудования. Чтобы избежать подобных моментов, потребуется установка внешних фильтров, что вызовет дополнительные затраты времени и средств.

Альтернативой включению DC- дросселя может послужить использование встроенного или внешнего АС-дросселя. Но в случае использования частотных преобразователей со встроенными АС-дросселями потребителю приходится мириться со снижением номинального напряжения ПЧВ (а значит, и двигателя), следстивем чего является несоответствие заявленных и реальных характеристик по выходному току и мощности. Еще одной проблемой при использовании такого схемотехнического решения является неизбежное увеличение токов при работе на частотах выше либо равной номинальной.

Использование частотных пре- образователей без фильтров гармоник допустимо в диапазоне до 30 кВт. Но и в этом случае в подавляющем большинстве применений необходимо использовать частотные преобразователи с встроенными фильтрами, чтобы обеспечить приемлемый уровень помех в питающей сети. Все частотные преобразователи большей мощности оснащаются встроенными фильтрами по умолчанию.

Использование ПЧВ со встроенными DC-дросселями обеспечивает достаточный уровень подавления помех. Более чем в 90 % применений частотных преобразователей - это готовое бюджетное решение.

Безусловно, есть системы, в которых встроенные в частотные преобразователи дроссели не могут обеспечить требуемых параметров ЭМС. Это системы с малой мощностью питающего трансформатора, системы с питанием от дизель-генератора (требование ГОСТ), системы группового управления мощными приводами, а также те случаи, когда заказчик требует соблюдения стандартов ЕС по реактивной составляющей тока. В подобных системах оправдано применение активных или пассивных внешних фильтров.

Грамотный монтаж частотного преобразователя как залог обеспечения ЭМС

Для обеспечения ЭМС важно не только правильно подобрать частотный преобразователь, но и правильно его установить и подключить. Есть несколько простых рекомендаций, исполнение которых обязательно при работе с ПЧВ.

Используйте только экранированные/бронированные кабели для подключения двигателя и кабели управления. Экран должен покрывать не менее 80 % поверхности кабеля и должен быть изготовлен из металлических материалов. К кабелям сетевого питания особые требования не предъявляются. Кабель к двигателю должен прокладываться в отдельном кабелепроводе. Также необходимо обеспечить полное соединение кабелепровода от блока управления к двигателю. Характеристики ЭМС гибких кабелепроводов существенно различаются, поэтому необходимую информацию следует получить у изготовителя.

Подключайте экран/бронирующую оболочку/кабелепровод к земле с обоих концов кабелей двигателей, а также кабелей управления.

Избегайте подключения экрана/ бронированной оболочки свитыми концами (косичками). Такое подключение увеличивает сопротивление экрана на высоких частотах и снижает эффективность экрана. Вместо этого используйте кабельные зажимы или сальники с низким сопротивлением.

По возможности избегайте использования неэкранированных/небронированных кабелей двигателя или кабелей управления внутри шкафов, в которых размещаются приводы.

Не рекомендуется использовать кабели с алюминиевыми проводниками сечением менее 35 мм2. Алюминиевые проводники можно подключать к клеммам, при этом поверхность проводника должна быть чистой, окислы удалены и лучше, если перед подключением проводник будет защищен нейтральной, не содержащей кислот, вазелиновой смазкой. Кроме того, через два дня следует подтянуть винты клемм. Важно обеспечить газонепроницаемое соединение, в противном случае поверхность алюминия вновь будет окисляться.

Снижение гармонических искажений

Задача уменьшения влияния гармонических искажений электросети, возникающих при работе преобразователей частоты, решаема. Сложность и содержание выбранного решения зависят от степени вносимых преобразователями частоты гармонических искажений и их отклонений от требований ГОСТ 13109-97.

При небольшом увеличении общего коэффициента гармоник сети сверх допустимого значения (KU = 8,0-10,0 %) достаточно установить перед преобразователями частоты линейные дроссели или дроссели постоянного тока (возможно, те и другие одновременно).

4. Питание трехфазного преобразователя от однофазной сети

Трехфазные частотные преобразователи могут быть запитаны от однофазной сети, но при этом их выходной ток не должен превышать 50% от номинального.

5. Экономия электроэнергии и денег

Экономия происходит по нескольким причинам. Во-первых, за счет роста косинуса фи до значений 0.98, т.е. максимум мощности используется для совершения полезной работы, минимум уходит в потери. Во-вторых, близкий к этому коэффициент получается на всех режимах работы двигателя.

Без частотного преобразователя, асинхронные двигатели на малых нагрузках имеют косинус фи 0.3-0.4. В-третьих, нет необходимости в дополнительных механических регулировках (заслонках, дросселях, вентилях, тормозах и т.д.), все делается электронным образом. При таком устройстве регулирования, экономия может достигать 50%.

Каждый преобразователь может управлять работой до 7 насосов одновременно

Работа в любом из выбранных режимов: постоянное давление, постоянная производительность, гидродинамическая компенсация, внешняя частотная регулировка.

Мягкий старт и остановка, “подбор скорости”- мягкий рестарт вращающегося ротора.

Точность регулировки скорости привода до 0,02% от максимальной скорости вращения.

Графический дисплей LCD дисплей и удобный интерфейс настройки

Возможности, открывающиеся при использовании преобразователя частоты в качестве регулирующего устройства для электропривода, выполненного на асинхронном электродвигателе, безграничны. Одной из главных тенденций развития современного электропривода является использование его в целях сбережения энергетических ресурсов и экологии. Следует отметить, что использование преобразователей частоты в качестве регулируемого электропривода создает свои преимущества за счет автоматического изменения параметров системы в зависимости от условий работы механизма и наибольший эффект достигается когда условия работы часто меняются и пределы изменений достаточно широки. Система регулируемого электропривода управляется микроконтроллером с достаточно солидным программным обеспечением, позволяющим задавать параметры регулирования в зависимости от необходимых условий работы механизма. В этой связи расширяется область применения регулируемого электропривода не только в сферах высоких технологий, но и там, где до настоящего времени традиционно использовался простой нерегулируемый электропривод с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором. При этом важным становится повышение энергетической эффективности существующих электроприводов, позволяющих решать технологические задачи при минимальных затратах.

Наиболее простой вариант использования ПЧ, когда одним преобразователем управляется один электродвигатель, например, электродвигатель лифта, станка-качалки, дымососа котла и т. д. В данном случае преобразователь подключается непосредственно к одному электродвигателю и руководит его работой в зависимости от заданных параметров и получаемой от датчиков информации. При этом эффект от работы электропривода определяется снижением расхода электроэнергии и повышением качества регулируемого технологического параметра, который чаще всего и определяет качество продукции. При таком варианте использования ПЧ удельная стоимость преобразователя на 1 кВт мощности максимальна и решение об установке ПЧ, как правило, принимается по необходимости регулирования технологических параметров, хотя расчеты показывают, что составляющая экономии электроэнергии часто позволяет окупить затраты на установку ПЧ менее чем за 1 год и далее приносить чистую экономию.

Если на объекте расположены несколько электроприводов, работающих во взаимосвязанном режиме, то целесообразно рассмотреть установку преобразователя в комплексе с системой управления электроприводов -- так называемую станцию управления электроприводами. Типовая станция управления (СУ) включает в себя:

шкаф управления, в котором размещаются коммутационная аппаратура, частотный преобразователь, дополнительный программируемый логический контроллер (при необходимости решать сложные задачи управления), аппаратура защит и сигнализации;

датчики контролируемых параметров и исполнительные механизмы системы управления.

Типичным примером такого варианта использования ПЧ является станция управления группой насосов, когда диапазон регулирования по расходу изменяется в широких пределах и, в зависимости от расхода, работает один, два или три насоса, обеспечивая заданный уровень давления. Используя имеющиеся резервные мощности встроенного в преобразователь частоты микроконтроллера, средствами программного обеспечения, в станциях управления изготавливаемых на Ижевском радиозаводе реализована возможность управления группой электродвигателей на два или три насоса. При этом управление может осуществляться в любом заданном режиме: при малых расходах заданное давление обеспечивается автоматически регулируемой работой одного насоса, при увеличивающемся расходе контроллер (ПЧ) управляет работой коммутационной аппаратуры, подключая второй и, при необходимости, третий насос, обеспечивая заданный уровень давления, постоянное регулирование, исключение гидравлических ударов.

6. Правильный выбор класса защиты

Для безотказной работы частотного привода необходим надежный теплоотвод. Если использовать высокие классы защиты, например IP 54 и выше, то трудно или дорого добиться такого теплоотвода. Поэтому, можно использовать отдельный шкаф с высоким классом защиты, куда ставить модули с меньшим классом и осуществлять общую вентиляцию и охлаждение.

7. Параллельное подключение электродвигателей к одному частотному преобразователю

С целью снижения затрат, можно использовать один частотный преобразователь для управления несколькими электродвигателями. Его мощность нужно выбирать с запасом 10-15% от суммарной мощности всех электродвигателей. При этом нужно минимизировать длины моторных кабелей и очень желательно ставить моторный дроссель.

Большинство частотных преобразователей не допускают отключение или подключение двигателей с помощью контакторов во время работы частотного привода. Это производится только через команду стоп привода.

8. Задание функции регулирования

Для получения максимальных показателей работы электропривода, таких как: коэффициент мощности, коэффициент полезного действия, перегрузочная способность, плавность регулирования, долговечность, нужно правильно выбирать соотношение между изменением рабочей частоты и напряжения на выходе частотного преобразователя.

Функция изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки. При постоянном моменте, напряжение на статоре электродвигателя должно регулироваться пропорционально частоте (скалярное регулирование U/F = const). Для вентилятора, например, другое соотношение - U/F*F = const. Если увеличиваем частоту в 2 раза, то напряжение нужно увеличить в 4 (векторное регулирование). Есть приводы и с более сложными функциями регулирования.

1. Преимущества использования регулируемого электропривода с частотным преобразователем

Кроме повышения КПД и энергосбережения такой электропривод позволяет получить новые качества управления. Это выражается в отказе от дополнительных механических устройств, создающих потери и снижающих надежность систем: тормозов, заслонок, дросселей, задвижек, регулирующих клапанов и т.д. Торможение, например, может быть осуществлено за счет обратного вращения электромагнитного поля в статоре электродвигателя. Меняя только функциональную зависимость между частотой и напряжением, мы получаем другой привод, не меняя ничего в механике.

Заключение

При выборе частотных преобразователей нужно учесть много факторов: прежде всего это мощность, электромагнитная совместимость, продумать возможность питающей сети и экономический эффект от применения того или иного частотного преобразователя . произвести расчеты выполняемых функций в системе АУ. Исходя из этих условий уделить должное внимание монтажу и месту установки для последующего удобного обслуживания.

Размещено на Allbest.ru