Преобразователи частоты
Преобразователи частоты или, как их еще называют - частотные преобразователи, предназначены для управления и регулирования скорости вращения электрических двигателей или их момента.
Такое частотное регулирование скорости двигателя позволяет, например, управлять производительностью (расходом или давлением) насосов, вентиляторов и воздуходувок. При частотном регулировании электропривода частотный преобразователь с помощью широтно-импульсной модуляции формирует на своем выходе такое трехфазное напряжение, при котором электродвигатель вращается с заданной частотой или моментом.
При использовании преобразователя частоты пуск двигателя происходит плавно, без больших пусковых токов и ударов, а это, в свою очередь, уменьшает нагрузку на электрическую сеть, электродвигатель, механизмы и увеличивает срок их службы.
Помимо насосов и вентиляторов, частотно-регулируемые приводы широко используются в подъемно-транспортном оборудовании и конвейерах, в экструдерах, смесителях, центрифугах, сепараторах, вибраторах, в пескоструйных аппаратах, в металло- и деревообрабатывающем оборудовании, обрабатывающих центрах и прессах, типографском оборудовании. Также частотный привод может применяться в операциях намотки, протяжки, резки и т.п.
Способы регулирования скорости вращения асинхронного двигателя изменением частоты
В асинхронном двигателе частота вращения магнитного поля n1 зависит от частоты напряжения питания. При питании обмотки статора электродвигателя трехфазным напряжением с частотой f создается вращающееся магнитное поле. Скорость вращения этого поля определяется по известной формуле:
ω1=2πf/p,
где р - число пар полюсов статора. Переход от скорости вращения поля ω1, измеряемой в радианах, к частоте вращения n1, выраженной в оборотах в минуту, осуществляется по следующей формуле:
n1=60ω1/2π,
где 60 - коэффициент пересчета размерности.
Подставив в это уравнение скорость вращения поля ω1, получим, что
n1=60f/p
Таким образом, частота вращения ротора асинхронного двигателя зависит от частоты напряжения питания. На этой зависимости и основан метод частотного регулирования.
Изменяя с помощью преобразователя частоту напряжения питания на входе двигателя, мы регулируем частоту вращения ротора.
Преобразователь частоты - это устройство, предназначенное для преобразования переменного тока (напряжения) одной частоты в переменный ток (напряжение) другой частоты.
Выходная частота в современных преобразователях может изменяться в широком диапазоне и может быть как ниже, так и выше частоты питающей сети. В наиболее распространенном частотно регулируемом приводе на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяются скалярное и векторное частотное управление.
При скалярном управлении по определенному закону изменяют амплитуду и частоту приложенного к двигателю напряжения. Изменение частоты питающего напряжения приводит к отклонению от расчетных значений максимального и пускового моментов двигателя, к.п.д., коэффициента мощности. Поэтому для поддержания требуемых рабочих характеристик двигателя необходимо с изменением частоты одновременно соответственно изменять и амплитуду напряжения.
В существующих преобразователях частоты при скалярном управлении чаще всего поддерживается постоянным отношение максимального момента двигателя к моменту сопротивления на валу. То есть при изменении частоты амплитуда напряжения изменяется таким образом, что отношение максимального момента двигателя к текущему моменту нагрузки остается неизменным. Это отношение называется перегрузочная способность двигателя.
При постоянстве перегрузочной способности номинальные коэффициент мощности и к.п.д. двигателя на всем диапазоне регулирования частоты вращения практически не изменяются.
Максимальный момент, развиваемый двигателем, определяется следующей зависимостью
Mmax=kU2/f2,
где к - постоянный коэффициент.
Поэтому зависимость напряжения питания от частоты определяется характером нагрузки на валу электрического двигателя.
Рис.6.1. Зависимость напряжения питания от частоты с постоянным моментом нагрузки.
Для постоянного момента нагрузки поддерживается отношение U/f = const, и, по сути, обеспечивается постоянство максимального момента двигателя. Характер зависимости напряжения питания от частоты для случая с постоянным моментом нагрузки изображен на рис. 6.1. Угол наклона прямой на графике зависит от величин момента сопротивления и максимального крутящего момента двигателя.
Вместе с тем на малых частотах, начиная с некоторого значения частоты, максимальный момент двигателя начинает падать. Для компенсации этого и для увеличения пускового момента используется повышение уровня напряжения питания.
В случае вентиляторной нагрузки реализуется зависимость U/f2 = const. Характер зависимости напряжения питания от частоты для этого случая показан на рис.6.2.
Рис.6.2. Зависимость напряжения питания от частоты в случае вентиляционной нагрузки.
При регулировании в области малых частот максимальный момент также уменьшается, но для данного типа нагрузки это некритично. Используя зависимость максимального крутящего момента от напряжения и частоты, можно построить график U от f для любого типа нагрузки. Важным достоинством скалярного метода является возможность одновременного управления группой электродвигателей. Скалярное управление достаточно для большинства практических случаев применения частотно регулируемого электропривода с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя до 1:40.
Векторное управление позволяет существенно увеличить диапазон управления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Этот метод обеспечивает непосредственное управление вращающим моментом двигателя. Вращающий момент определяется током статора, который создает возбуждающее магнитное поле. При непосредственном управлении моментом необходимо изменять кроме амплитуды и фазу статорного тока, то есть вектор тока. Этим и обусловлен термин «векторное управление». Для управления вектором тока, а, следовательно, положением магнитного потока статора относительно вращающегося ротора требуется знать точное положение ротора в любой момент времени. Задача решается либо с помощью выносного датчика положения ротора, либо определением положения ротора путем вычислений по другим параметрам двигателя. В качестве этих параметров используются токи и напряжения статорных обмоток. Менее дорогим является частотно регулируемый электропривод с векторным управлением без датчика обратной связи скорости, однако векторное управление при этом требует большого объема и высокой скорости вычислений от преобразователя частоты. Кроме того, для непосредственного управления моментом при малых, близких к нулевым скоростям вращения работа частотно регулируемого электропривода без обратной связи по скорости невозможна. Векторное управление с датчиком обратной связи скорости обеспечивает диапазон регулирования до 1:1000 и выше, точность регулирования по скорости - сотые доли процента, точность по моменту - единицы процентов.