Корзина
17 отзывов
УПП ЛД1100 стали еще доступнее. Успейте заказать.Купить со скидкой
Наличие документов
Знак Наличие документов означает, что компания загрузила свидетельство о государственной регистрации для подтверждения своего юридического статуса компании или индивидуального предпринимателя.
+74992900107
+74992900107
+79854479176
Ваш надёжный поставщик частотных преобразователей и приводной техники. Официальный дилер.

Что такое "преобразователь частоты"? Как правильно выбрать частотный преобразователь?

Что такое "преобразователь частоты"? Как правильно выбрать частотный преобразователь?

Введение

Что такое "преобразователь частоты"? Зачем он нужен? Какой выбрать?

Что такое "преобразователь частоты"? Сразу оговоримся: нас интересуют только преобразователи частоты, предназначенные для управления двигателями переменного тока. На силовой вход такого прибора поступает напряжение сети, это напряжение выпрямляется, а затем из выпрямленного напряжения формируется выходное напряжение нужной амплитуды и частоты.

Зачем он нужен? Чтобы компенсировать недостатки асинхронного двигателя, а именно: невозможность регулирования скорости и слишком быстрый пуск, приводящий к потреблению высокого пускового тока. Использование преобразователя частоты обеспечивает целый ряд возможностей:

Регулирование скорости превращает систему преобразователь частоты – асинхронный двигатель (ПЧ-АД) в полноценный регулируемый электропривод, что дает следующие преимущества:

·         применение асинхронного двигателя вместо дорогого как при покупке, так и при эксплуатации двигателя постоянного тока;

·         снижение энергопотребления в механизмах, производительность которых ранее регулировалась внешними устройствами – клапанами, задвижками, шиберами, направляющими аппаратами, вариаторами и т.д.;

·         возможность создания системы автоматического регулирования скорости или любого выходного параметра, от нее зависящего, при помощи  ПИД-регулятора, имеющегося  практически в любом современном преобразователе частоты.

Практически неограниченное затягивание процесса пуска позволяет:

·         снизить  механические нагрузки на механизм и двигатель – устранение гидравлических ударов, снижение износа благодаря выбору люфтов механизма при малом моменте, отсутствие рывков и т.д.

·         уменьшить электрические нагрузки на сеть, коммутационную аппаратуру и обмотку двигателя.

Кроме того, наличие интеллектуальной системы управления позволяет обеспечить комплексную защиту двигателя и механизма, получить информацию о развитии аварийной ситуации на самой ранней стадии, когда восстановление работоспособности можно отложить до удобного времени, а последствия аварии свести к минимуму.

Какой выбрать? Все преобразователи частоты можно разделить на две группы – специализированные и универсальные. Выбор специализированного преобразователя оправдан только в том случае, если универсальный не может выполнить поставленную задачу. Эти преобразователи в данной брошюре не рассматриваются.

Универсальные преобразователи в свою очередь делятся по типу управления на векторные и скалярные (чаще называемые преобразователями с управлением V/f). Подавляющее большинство устанавливаемых преобразователей – скалярные. Они несколько дешевле векторных, проще в наладке, менее требовательны к точности данных двигателя. Типовые применения – насосы, вентиляторы, транспортеры, групповой привод и т.д. Векторные преобразователи частоты имеет смысл использовать в следующих случаях:

·         если нужно обеспечить очень точное регулирование выходного параметра (обычно скорости) при частом изменении внешних воздействий - нагрузки или задания;

·         при активной нагрузке (механизмы подъема);

·         при необходимости работы на низких скоростях (вплоть до 0) с номинальным моментом на валу двигателя.

Однако однозначно определить, какой тип управления нужен в конкретном применении, довольно сложно – с одной стороны, по мере развития систем управления функциональные границы между скалярными и векторными преобразователями стираются, а с другой – все чаще один и тот же преобразователь может работать и как скалярный, и как векторный – необходимо лишь выбрать нужный режим. Особенно это касается преобразователей большой мощности, в которых удельная стоимость системы управления незначительна.


Кроме того, при выборе и заказе прибора нужно определиться с необходимостью дополнительных функций и узлов: наличием модулей торможения, средств связи с управляющей системой, пульта управления и т.д.

Глава 1. Асинхронный двигатель

Механическая характеристика асинхронного двигателя. Высокий пусковой ток. Частотный пуск. Регулирование скорости.

При всех своих преимуществах, обеспечивших массовость применения асинхронных двигателей (дешевизна, надежность, высокий к.п.д. и др.), они обладают двумя досадными недостатками – высоким пусковым током и сложностью регулирования скорости. Рассмотрим эти свойства двигателей подробнее.

Для описания любого двигателя важна его механиче­ская характеристика – зави­симость крутящего момента на валу от скорости. На рисунке сплошной линией показана наиболее важная часть механи­ческой характеристики асин­хронного двигателя при пита­нии его непосредственно от сети (fном). Видно, что в мо­мент подачи питания, когда скорость двигателя равна нулю (точка П), крутящий момент на валу существенно превышает момент нагрузки (показан жирной вертикальной линией), поэтому двигатель начинает быстро разгоняться (участок П-К-Р). По мере уве­личения скорости момент на валу еще больше увеличивается, и двига­тель разгоняется все быстрее, вплоть до точки К. Затем момент начи­нает снижаться, и при равенстве момента на валу и момента нагрузки (точка Р) разгон прекращается, и двигатель работает на постоянной скорости. Такой процесс пуска происходит очень быстро, от долей секунды до нескольких секунд. По окончании этого процесса ротор двигателя и присоединенный механизм обладают номинальной кине­тической энергией. Эта энергия была получена из электросети, ее ве­личина равна произведению мощности на время:

А = Р * t

Поскольку время мало, то должна быть велика мощность, по­требленная из сети. Ее величина также описывается простой форму­лой:

Р = I * U, где U – напряжение сети, I – потребляемый ток.

Получается, что единственная возможность быстро получить из сети много энергии – увеличить ток, что и происходит при пуске дви­гателя – пусковой ток достигает значений, в 7-10 раз превосходящих номинальный. Этот ток должна выдерживать электросеть, коммута­ционные аппараты, приборы защиты и т.д.

Большие проблемы связаны и с быстрым разгоном при пуске – при наличии механической передачи выбор люфтов сопровождается ударами и перегрузками, что приводит к резкому увеличению износа. Многие механизмы требуют плавного разгона; например, при быст­ром пуске насоса возникает гидравлический удар и, как следствие, существенные перегрузки трубопроводов и запорно-регулирующих элементов на них. Конечно, существуют меры по снижению перегру­зок, но они часто достаточно дороги, а кроме того, связаны с человеческим фактором, что снижает надежность системы и увеличивает вероятность аварии.

Теперь посмотрим, как осуществляется пуск при работе двигателя от преобразователя частоты. Преобразователь начинает работать практически с нулевой частоты, и разгон двигателя начнется только при достижении выходной частотой f значения f1 (см. соответствующую механическую характеристику на рисунке). При этом двигатель работает в точке Р1, и соответственно ток через него равен номинальному. По мере роста частоты (показаны характеристики двигателя при частотах питающего напряжения f2 и f3, где fном > f3 > f2 > f1) разгон происходит практически по прямой нагрузки (характеристика разгона показана жирной пунктирной линией), а момент на валу двигателя превышает момент нагрузки лишь на величину, необходимую для разгона в нужном темпе.

Вторым недостатком асинхронного двигателя является сложность регулирования его скорости. Единственная изначально очевидная возможность, полностью соответствующая физической природе асинхронного двигателя - регулирование частотой питающего напряжения. Такое управление может обеспечить все механические параметры на валу двигателя при любой скорости и в течение любого времени, однако реализация этого способа долгое время была чрезвычайно дорогой. С момента изобретения асинхронной машины предпринимались различные попытки использования других способов регулирования ее скорости в процессе работы, однако существенных альтернатив частотному регулированию найдено не было. Преобразователи частоты различного типа проектировались и применялись давно, однако их цена стала приемлемой для массового внедрения только в последние 20-30 лет.

Получается, что применение преобразователя частоты компенсирует недостатки асинхронного двигателя, превращая систему ПЧ-АД в надежный и сравнительно недорогой регулируемый электропривод. Тем не менее при использовании преобразователей частоты необходимо учитывать некоторые специфические свойства реальных асинхронных двигателей.

Глава 2. Преобразователь частоты

Входной мост. Блок конденсаторов. Выходной генератор. Электромагнитная совместимость. Охлаждение.

Рассмотрим немного подробнее внутреннее устройство преобразователя частоты. Как уже говорилось во введении, на вход преобразователя поступает стандартное переменное напряжение, пусть это будет 380 В с частотой 50 Гц. Переменное напряжение сначала необходимо выпрямить. С этой задачей легко справляется стандартный трехфазный мост, собранный из шести диодов. Однако на выходе моста выпрямленное напряжение имеет высокий уровень пульсаций, поэтому необходимо установить сглаживающий фильтр. Обычно это блок электролитических конденсаторов большой емкости.

Здесь нужно сделать небольшое отступление. Дело в том, что эти конденсаторы определяют несколько свойств преобразователя, о которых нужно помнить:

·         Блок конденсаторов - наиболее чувствительный компонент силовой цепи преобразователя. Именно их сроком службы определяется общий срок службы преобразователя, поэтому от их качества во многом зависит надежность и долговечность прибора в целом. Обычно гарантированный срок службы хороших конденсаторов – около 30 000 часов при максимальных режимах (номинальный ток, максимальная окружающая температура). Это около трех с половиной лет непрерывной работы. Как правило, преобразователь работает с перерывами и не всегда на максимальных режимах, поэтому реальный срок службы прибора намного больше.

·         Как известно, незаряженный конденсатор представляет собой практически короткое замыкание, поэтому ток через него в первый момент необходимо ограничивать во избежание выхода конденсатора из строя. Для этой цели в преобразователь устанавливается специальный зарядный резистор, ограничивающий ток заряда на допустимом уровне. При подаче питания ток заряда сначала идет через него, а когда заряд конденсаторов достигнет определенной величины, резистор отключается и в дальнейшей работе преобразователя не участвует. Общее время работы резистора при пуске составляет несколько секунд, поэтому используются резисторы с небольшой рассеиваемой мощностью – резистор успеет остыть до следующего включения питания. Однако при частом включении-выключении питания резистор может перегреться и выйти из строя, поэтому обычно установка каких-либо устройств оперативного включения на входе преобразователя запрещена.

·         Даже после отключения преобразователя от сети заряд на конденсаторах сохраняется достаточно долго, поэтому прикосновение к токоведущим частям остается опасным примерно в течение пяти минут.

Вернемся к функциональной схеме преобразователя. Выпрямленное напряжение поступает на выходной генератор, представляющий собой управляемый мост из шести силовых ключей (как правило, это модули IGBT). Открываясь в определенном порядке, ключи формируют на выходе особую последовательность импульсов различной ширины. Если эту последовательность подать на двигатель, то полученный ток будет иметь примерно синусоидальную форму. Чем выше частота работы ключей (частота коммутации), тем ближе форма тока к синусоидальной. Расплата за высокую частоту коммутации – повышенный нагрев ключей и снижение срока их службы, а иногда и снижение мощности преобразователя, поэтому частоту коммутации без необходимости стараются не повышать.

Специальными мерами отклонение формы тока от синусоидальной снижается до значений, не оказывающих отрицательного влияния на двигатель. Тем не менее выходная силовая цепь из-за многочисленных гармонических составляющих остается мощным источником помех для окружающего оборудования, поэтому для снижения их уровня до стандартной допустимой величины (обеспечения электромагнитной совместимости) выходной силовой кабель должен быть экранированным, а подключение экрана необходимо выполнять в строгом соответствии с рекомендациями производителя. С другой стороны, если в непосредственной близости от преобразователя нет чувствительного к помехам оборудования, то экранирование не является обязательным. По данным автора, до 95% преобразователей частоты в России устанавливаются без экранирования выходного силового кабеля.

При работе преобразователя частоты выделяется большое количество тепла, которое необходимо отвести. Для этой цели в прибор встраиваются вентиляторы, однако их наличие еще не является достаточным для эффективного охлаждения. Нужно, чтобы температура окружающего воздуха не превышала допустимого значения (обычно 40 ºС), и на его пути не было препятствий в виде стен или других приборов.

Поскольку вентилятор – узел механический, то он имеет небольшой срок службы (около 10 000 часов) по сравнению с электронными компонентами преобразователя, и обычно именно он первым выходит из строя "по старости". К счастью, преобразователь при этом не ломается, а просто отключается из-за перегрева. Замена вентилятора достаточно проста, поэтому устранение такой неисправности проблемы не представляет. Тем не менее производители стараются, с одной стороны, ставить качественные вентиляторы, а с другой – организовывать специальное управление ими. Это управление заключается всего лишь в отключении вентиляторов при малых нагрузках и достаточно низкой температуре окружающего воздуха, но в результате срок службы вентилятора может увеличиться в несколько раз.

Мы рассмотрели силовую цепь преобразователя, не касаясь низковольтной электроники, представляющей собой "умную" часть преобразователя. Именно от нее зависит правильность работы силовых приборов, обеспечение защиты преобразователя и двигателя от неноминальных режимов работы, а также удобство работы с прибором и его сервисные возможности.

Глава 3. Управление двигателем

Регулирование скорости асинхронного двигателя. Охлаждение, работа при нулевой скорости, номинальная скорость, работа на скоростях выше номинальной.

 

В восьмидесятые годы регулируемый электропривод ассоциировался в первую очередь с двигателями постоянного тока, поскольку двигатели других типов не имели простого способа регулирования. Сейчас ситуация сильно изменилась, и регулируемый привод можно создавать на двигателях самых разных типов, в том числе и на наиболее массовых, дешевых и надежных асинхронных двигателях переменного тока. Однако следует четко представлять себе ограничения в таком применении и способы их полной или частичной компенсации.

Охлаждение. На двигателе постоянного тока традиционно устанавливается вентилятор охлаждения с независимым питанием, а стандартный асинхронный двигатель охлаждается вентилятором, установленным на его валу, поэтому при снижении скорости эффективность этого охлаждения падает очень существенно. С этим можно мириться при регулировании приводов вентиляторов и насосов, поскольку их нагрузка при снижении скорости падает в той же пропорции. Однако в общепромышленном применении этот вопрос встает достаточно остро. Решение зависит от характеристик конкретного механизма и скоростного режима работы. Вот признаки, говорящие в пользу того, что температура двигателя не выйдет за допустимые пределы:

·         Полный крутящий момент двигателя используется редко и недолго (при пиковых нагрузках) или не используется вообще (двигатель выбран с запасом);

·         Полный крутящий момент двигателя используется только на номинальной скорости;

·         Длительная работа на пониженных скоростях не предполагается;

·         В процессе регулирования скорость снижается незначительно;

·         Окружающая температура существенно ниже предельно допустимой для данного двигателя;

·         Двигатель установлен в зоне сильных воздушных потоков.

Дать численную оценку этим параметрам довольно трудно, поэтому вопрос, как правило, решается экспертно. Если есть возможность установить независимый вентилятор охлаждения позже, то имеет смысл начать эксплуатацию без него, а установкой заняться только в том случае, если появятся аварийные остановки привода из-за перегрева двигателя. Если же необходимость дополнительного охлаждения очевидна, то следует использовать асинхронный двигатель с независимым вентилятором.

Работа на скоростях, близких к нулю. Следует различать работу на этих скоростях и их прохождение при пуске и реверсировании. В последнем случае никаких специальных требований к преобразователю частоты не предъявляется, а вот длительная работа на очень низкой скорости или сохранение момента при нулевой скорости противоречит самой природе двигателя переменного тока, поэтому реализация таких режимов достаточно сложна. Тем не менее задача эта решена, и подобные привода используются достаточно часто. Не вдаваясь в теорию, отметим лишь, что применение преобразователя частоты с векторным управлением в этом случае является обязательным, а для его наладки следует привлечь специалиста с соответствующими знаниями и опытом. Поэтому желательно лишний раз убедиться в том, что столь низкие скорости действительно необходимы, иначе бездумно указанный диапазон регулирования "от нуля до номинальной скорости" может привести к неоправданным расходам.

Номинальная скорость – это скорость двигателя при номинальной частоте, указанная на его шильдике. Именно при этой скорости он отдает всю свою мощность. При регулировании ниже этой скорости двигатель сохраняет крутящий момент на валу, а выше нее этот момент падает (напомним, что механическая мощность на валу пропорциональна произведению момента на скорость). Вообще говоря, работа на скоростях выше номинальной для общепромышленного асинхронного двигателя должна согласовываться с производителем двигателя, поскольку, во первых, при изготовлении двигатель испытывается на механическую прочность, отсутствие резонансных явлений и балансировку только до определенной скорости, а во вторых, используемые подшипники также имеют вполне конкретный скоростной диапазон. Иное дело двигатели, специально разработанные для применения в регулируемом приводе – у них все допустимые режимы указаны в паспорте, однако, с одной стороны, такие двигатели существенно дороже, а с другой – преобразователи частоты чаще всего устанавливаются на уже существующий механизм, и замена двигателя проектом не предусмотрена.

Глава 4. Энергосбережение

Снижение энергопотребления. Насосы и вентиляторы. Лифты. Высокоинерционные механизмы.

 

Самая распространенная цель применения преобразователя частоты – снижение энергопотребления. Особенно это касается насосов и вентиляторов, в которых регулирование либо не осуществляется вообще, либо производится увеличением гидравлического или аэродинамического сопротивления магистрали, или, проще говоря, заслонками. Рассмотрим этот пример подробнее.

Возьмем насос. Обычно необходимо поддерживать давление воды в магистрали, и делается это при помощи задвижки с ручным или автоматизированным приводом. Потребляемая насосом механическая мощность пропорциональна произведению давления P на расход воды Q:

N = k * P * Q

При этом речь идет о давлении на выходе насоса, то есть до задвижки. Соответственно, если необходимо понизить давление в два раза по отношению к номинальному давлению насоса, то необходимо прикрыть регулирующую задвижку. Расход воды при этом уменьшится, и механическая мощность, потребляемая насосом от двигателя, станет равной N = k * Pном * Q1, а давление за задвижкой станет равным необходимому значению Рном/2. Если же вместо прикрывания задвижки снизить скорость насоса до значения, соответствующего значению давления Рном/2, то потребляемая механическая мощность станет равной N = k * Pном/2 * Q1. Налицо выигрыш 50% мощности.

Есть и другой аспект экономии. Известно, что ток холостого хода асинхронного двигателя равен примерно 30% от номинального. Этот ток зависит в основном от напряжения питания. При регулировании задвижкой напряжение питания двигателя не изменяется, и соответственно не меняется составляющая холостого хода. Иное дело при регулировании скорости: как мы уже говорили, снижение скорости достигается снижением частоты и напряжения, а в этом случае снизятся и потери холостого хода. В граничном случае, т.е. при требуемом давлении 0, при регулировании заслонкой она будет полностью закрыта, и потребление двигателя составит те самые 30% от номинальной мощности, а при регулировании скоростью двигатель будет остановлен, и потребление мощности прекратится. Экономия составит 100%!

Конечно, описанные выкладки сильно упрощены, но принципиально картина не меняется. Среднестатистическая экономия электроэнергии на насосах составляет 25-30%. Чем сильнее прикрыта задвижка на выходе насоса, тем больше будет экономия энергии при применении преобразователя частоты. Существуют методики расчета экономического эффекта от применения регулируемого привода на насосах, но изложить их здесь не позволяет малый объем брошюры.

На вентиляторах подробно останавливаться не будем, их описание совершенно аналогично.

Несколько по-другому выглядит расчет экономии на механизмах, не допускающих снижения скорости, но требующих плавности ее изменения при пусках и остановах. Яркий пример тому – лифт. Если не применять никаких мер, то начало движения и останов будет сопровождаться весьма неприятными рывками. Поэтому на вал двигателя устанавливается маховик, призванный смягчить эти процессы. Но движение лифта – это сплошные разгоны и торможения, соответственно при каждом разгоне необходимо потратить энергию на раскрутку маховика, а при торможении эта энергия теряется безвозвратно. Применение преобразователя частоты позволяет обеспечить плавный разгон без использования маховика, что и приводит к экономии электроэнергии.

Еще один тип механизмов, на которых оправдано применение преобразователей частоты в качестве средства экономии – механизмы с большим моментом инерции. Возьмем в качестве примера инерционный пресс. В нем двигатель раскручивает тяжелый маховик, а затем энергия маховика используется для прессования. Основной режим работы двигателя такого пресса – поддержание скорости маховика. В этом режиме двигатель работает почти на холостом ходу, однако уменьшить его мощность нельзя, иначе он не сможет раскрутить маховик в начале работы за допустимое время пуска. Использование же преобразователя позволяет увеличить время пуска вплоть до часов, поэтому мощность двигателя можно снизить в несколько раз. Экономии в процессе пуска это не даст, но вот при работе на холостом ходу потребляемая энергия снизится пропорционально снижению мощности двигателя.

Глава 5. ПИД-регулятор

Ручное регулирование. Автоматический регулятор. Пропорциональная, интегральная и дифференциальная составляющие.

В подавляющем большинстве случаев преобразователь частоты устанавливается в систему для того, чтобы обеспечить возможность регулирования какого-либо параметра. Как происходит такое регулирование? Рассмотрим сначала простейший случай ручного регулирования на примере насоса:

 

Оператор подает сигнал задания частоты (ЗЧ), преобразователь (ПЧ) подает напряжение соответствующей частоты на двигатель (М), а тот раскручивает насос (Н), обеспечивая некоторое давление. Оператор следит за давлением по манометру, изменяя сигнал задания до тех пор, пока не получит нужного давления. На этом регулирование заканчивается. Если теперь расход воды увеличится, то давление упадет. Когда оператор это увидит, он сможет увеличить сигнал задания и вновь получить требуемое давление на выходе насоса. Напрашивается автоматизация.

Для ее реализации в систему включается автоматический регулятор, а на выходе насоса устанавливается датчик, преобразующий давление в системе в электрический сигнал:

Теперь оператор подает сигнал задания давления (ЗД), регулятор (Р) сравнивает его с сигналом обратной связи (ОС) и выдает на преобразователь сигнал задания частоты, а дальше все аналогично предыдущему случаю. Если давление за насосом изменится, регулятор это "увидит" по сигналу обратной связи и откорректирует задание частоты соответствующим образом. Постоянное присутствие оператора при наличии такой системы уже не нужно.

Как вы догадались, регулятор Р – это и есть упомянутый в заголовке ПИД-регулятор. На схеме он вынесен за пределы преобразователя частоты, но на самом деле находится внутри него (хотя, если регулятор не нужен, то его можно отключить). Рассмотрим этот узел подробнее.

Итак, у регулятора два входа – для сигналов задания и обратной связи, и один выход – для сигнала задания выходной частоты преобразователя. Задача регулятора – свести к нулю разницу между входными сигналами (ошибку). Собственно, внутри у него три самостоятельных регулятора - пропорциональный, интегральный и дифференциальный. Каждый из них обрабатывает ошибку самостоятельно, а потом результаты складываются. Для определенности будем считать, что сигнал обратной связи меньше сигнала задания, т.е. давление на выходе насоса меньше заданного, и скорость насоса хорошо бы увеличить.

Пропорциональный регулятор работает просто – ошибка умножается на заданный коэффициент и подается на выход. Это действие выполняется очень быстро, но есть один недостаток: чтобы двигатель крутился, на выходе регулятора должно быть задание частоты, отличное от нуля, соответственно не будет равна нулю и ошибка. Можно увеличить пропорциональный коэффициент, тогда ошибка станет меньше, но нулю она не станет равной никогда. Кроме того, при больших коэффициентах усиления в системе начинаются колебания, поэтому бесконечно увеличивать пропорциональный коэффициент нельзя.

На помощь приходит интегральный регулятор: ошибку на входе он умножает на свой коэффициент и добавляет результат к выходному сигналу, одновременно сохраняя его в своей памяти. В следующий момент времени он снова умножит ошибку на коэффициент, результат добавит к памяти и сразу подаст на выход. Таким образом, пока есть ошибка, выходной сигнал интегрального регулятора растет. Растет и скорость насоса, соответственно увеличивается давление и сигнал обратной связи. Ошибка на входе регулятора становится меньше, и теперь уменьшается сигнал на выходе пропорционального регулятора. В конце концов этот процесс приведет к тому, что ошибка станет равной нулю, попутно исчезнет пропорциональная составляющая в выходном сигнале регулятора, а выходную частоту будет определять величина, накопленная интегральным регулятором.

Если теперь в системе что-нибудь изменится – например, увеличится задание, то львиную долю ошибки сразу компенсирует пропорциональный регулятор, но постепенно интегральный вновь перетянет одеяло на себя и опять сведет ошибку к нулю.

Этих двух регуляторов вполне достаточно для обслуживания медленных процессов, каковыми являются большинство промышленных механизмов и практически все насосно-вентиляторные системы. Но есть механизмы, в которых задержка, вызванная "неторопливостью" интегрального регулятора, может оказаться нежелательной. Тогда включается в работу дифференциальный регулятор. Он следит за скоростью изменения ошибки, и если она изменяется очень быстро, добавляет в выходной сигнал свою долю, упреждая дальнейшее ее увеличение. Чем быстрее изменяется ошибка, тем больше значение сигнала на выходе дифференциального регулятора, и в результате ошибка компенсируется быстрее. Однако использование дифференциальной составляющей приводит к увеличению колебательности системы, и использовать ее нужно очень осторожно. Собственно, расчет всех коэффициентов – задача нетривиальная, к счастью, большинство систем не требуют очень точного поддержания выходного параметра, поэтому заводские установки коэффициентов ПИД-регулятора, как правило, оказываются приемлемыми.

Для примера посмотрим на работу показанной выше системы с насосом. Начнем с того, что все сигналы в преобразователе из реальных значений (напряжение, ток, цифровой код) преобразуются к единой величине – процентам. В этом случае их проще сравнивать. За 100% принимается максимально допустимое значение той или иной величины. Например, если на вход, рассчитанный на аналоговый сигнал от 0 до 10 В, подать напряжение 6 В, преобразователь будет считать его значение равным 60%.

Итак, пусть на выходе насоса нужно поддерживать давление 3 атмосферы. Сигнал обратной связи, пропорциональный реальному давлению, получим при помощи датчика давления с диапазоном 0-6 атмосфер (типовое значение) и выходным сигналом 0-20 мА. При желаемом давлении он будет давать сигнал 10 мА, что составит 50% от максимального сигнала. Поэтому задание мы должны дать тоже в размере 50%. Пусть вход задания рассчитан на сигнал 0-10 В, тогда подадим задание 5 В. Итак, у регулятора на входе задания 50%, и в процессе работы он будет изменять частоту на выходе преобразователя и соответственно скорость насоса до тех пор, пока значение сигнала на входе обратной связи не станет равным 50%, что и будет соответствовать желаемому давлению в 3 атмосферы.

Приведенное выше описание ПИД-регулятора и его работы сильно упрощено, но не искажает реальной картины. Подробнее работа систем регулирования изложена в любом учебнике по теории автоматического управления.

Глава 6. Дополнительные функции

Комплекс защит. Входы и выходы. Удобство настройки. Связь с внешним миром.

 

Современный преобразователь частоты имеет в своем составе большое количество дополнительных функций, которые можно разделить на несколько групп:

Защита преобразователя. Конечно, в первую очередь производители заботятся о надежности своего детища, да и пользователю важно сохранить дорогое оборудование в работоспособном состоянии. Поэтому практически все современные преобразователи, будучи правильно подключены к питающей сети, способны защитить себя от любых неверных действий персонала. Конечно, "против лома" они не устоят, и если на управляющий вход подать напряжение 220 В, то преобразователь выйдет из строя, но такие действия граничат с диверсией. О другой опасности – частом включении и отключении. И остается еще одна, но, пожалуй, самая частая причина выхода преобразователя из строя по вине персонала: подключение напряжения сети к выходным силовым клеммам преобразователя частоты. К сожалению, простой защиты от такого подключения пока не придумали. Можно, конечно, установить сверхбыстродействующие полупроводниковые предохранители, но их стоимость сравнима со стоимостью преобразователя, поэтому они применяются редко. Ну, а с остальными проблемами современные системы управления справляются уверенно: короткие замыкания, неправильное программирование и управление – все это приводит лишь к аварийному отключению преобразователя.

Защита двигателя и механизма. Как правило, преобразователь защищает двигатель от большинства неприятностей: перегрузок, высоких токов, перегрева, несимметричного питания и т.д. Конечно, преобразователь не может устранить межвитковое замыкание в двигателе, но он может заблаговременно предупредить о неполадках, что позволит, с одной стороны, снизить объем возможного ремонта, а с другой – провести его в удобные сроки. При этом для оценки состояния двигателя преобразователь может использовать как значения внутренних переменных (ток, напряжение, скорость, момент нагрузки и т.д.), так и внешние тепловые и механические датчики. Защита механизма обычно ограничивается контролем перегрузок, но даже одно это позволяет продлить срок эксплуатации системы в несколько раз, ограничиваясь лишь текущим плановым ремонтом.

Входы и выходы. Обилие аналоговых и цифровых входов и выходов в преобразователях не должно пугать пользователя, поскольку используются, как правило, лишь некоторые из них. Однако при желании, используя соответствующую настройку этих входов, можно организовать достаточно сложную, и в то же время комфортную для оператора систему управления без использования дополнительных устройств. Описать все варианты в рамках данной главы не представляется возможным, однако перечислить некоторые легко реализуемые функции необходимо:

- суммирование сигналов на двух и более входах;

- оперативное переключение между сигналами;

- согласование входов с различными источниками сигнала;

- вывод информации о различных параметрах в удобном для оператора виде;

- переключение с автоматического режима работы на ручной и обратно.

Удобство настройки. Здесь производителю приходится отдуваться за универсальность – чем больше вариантов настройки, тем лучше можно приспособить преобразователь к конкретному применению, но тем сложнее сам процесс наладки. Достаточно посмотреть на руководство по эксплуатации, которое обычно содержит сотни страниц, чтобы не на шутку усомниться в возможности самостоятельной наладки. Однако производители стараются облегчить жизнь "неквалифицированным пользователям", используя в дополнение к основному сильно сокращенное руководство, которое обычно называется "Быстрый ввод в эксплуатацию" и содержит всего несколько страниц; кроме того, можно использовать заранее запрограммированные стандартные наборы параметров для типовых применений. Конечно, у каждого преобразователя имеется дисплей и клавиатура, что делает настройку удобной и снижает риск ошибок. На этот же дисплей преобразователь может вывести диагностические сообщения, по которым можно достаточно легко определить причину неправильной работы системы.

Средства связи. Все меньше и меньше остается систем, работающих в полной изоляции от другого оборудования, поэтому наличие коммуникационных функций в настоящее время уже стало стандартом. Даже если в данный момент такая связь не используется, в ближайшее время включение преобразователя в единую систему управления может понадобиться. Как правило, устанавливается интерфейс RS485 с протоколом Modbus, но по заказу возможны и другие варианты. В экстремальных случаях настройка и управление преобразователем через Интернет уже не является чем-то фантастическим.

Конечно, здесь описаны далеко не все возможные дополнительные функции преобразователей частоты, можно привести такие примеры, как встроенный блок логики, превращающий преобразователь в контроллер, дополнительные платы и программы, позволяющие превратить одиночный прибор в станцию управления группой насосов, встроенные тестеры, системы графического отображения процессов и так далее – все зависит от запросов потребителя и фантазии производителя.

Глава 7. Выбор преобразователя частоты

Мощность преобразователя и его номинальный ток. Перегрузочная способность. Диапазон регулирования скорости. Обеспечение торможения.

Предположим, что имеется стандартный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. У многих производителей имеется несколько серий преобразователей частоты, но начинать следует с самой дешевой. При предварительном выборе преобразователя можно исходить из его мощности, но гораздо правильнее использовать номинальный ток, поскольку именно этот параметр для преобразователя частоты наиболее критичен. Кроме того, существуют двигатели (например, серия ВАСО), номинальный ток которых существенно превосходит стандартное для данной мощности значение.

Итак, мы выбрали преобразователь, выходной номинальный ток которого равен или превосходит номинальный ток нашего двигателя. Теперь следует рассмотреть характер нагрузки. Если нагрузкой двигателя служит циркуляционный насос или вентилятор, то момент нагрузки пропорционален квадрату скорости. Такая нагрузка даже носит название "насосной" и является самым простым вариантом для реализации регулируемого электропривода. Многие производители выпускают серии преобразователей специально для насосов, и они, как правило, дешевле. Другие фирмы допускают использование стандартных моделей с насосами большей мощности (или, точнее, с двигателями с большим номинальным током), что также оказывается выгоднее. Если же нагрузка механизма не зависит от скорости (например, транспортер), то такие "послабления" в выборе преобразователя недопустимы.

Следующий существенный момент – перегрузки двигателя. У насосов и вентиляторов перегрузок практически нет, но для других механизмов этот вопрос очень важен. Перегрузочная способность различных моделей преобразователей частоты может сильно различаться. Поэтому для выбора преобразователя нужно точно знать характер перегрузок механизма, в частности, их длительность, амплитуду, частоту появления и т.д. В первую очередь следует определить, справится ли с этими перегрузками двигатель. Далее необходимо убедиться, что преобразователь частоты способен обеспечить необходимую перегрузочную способность двигателя. Для этого нужно знать, какую перегрузку по току и в течение какого времени выдерживает преобразователь. Если выбранная ранее модель указанным требованиям не отвечает – необходимо перейти на следующий типоразмер и вновь проверить обеспечение перегрузочной способности.

Теперь решим, в каком диапазоне необходима регулировка скорости. Если скорость не будет падать ниже 10 % от номинальной, то подойдет практически любой преобразователь, но если нужно снижать скорость и далее, обеспечивая при этом номинальный момент на валу, то следует проверить, сможет ли выбранный преобразователь обеспечить нужный диапазон регулирования. Возможно, придется перейти на модели с векторным управлением. Кроме того, необходимо убедиться в достаточности охлаждения двигателя.

Третий вопрос, который необходимо рассмотреть – торможение. При снижении скорости кинетическую энергию двигателя и механизма нужно куда-то деть. Преобразователи, способные вернуть эту энергию в сеть, обычно существенно дороже, и без особой необходимости их приобретение вряд ли оправдано. Обычно используется специальный модуль, отводящий энергию на внешний тормозной резистор. Как определить необходимость данного модуля? Возможно, обычное снижение скорости выбегом окажется достаточным (насосы, транспортеры). Кроме того, преобразователь частоты может реализовать динамическое торможение, при этом двигатель переходит в генераторный режим, и излишняя энергия идет на нагрев двигателя и радиаторов преобразователя (такое торможение часто применяется на тяжелых вентиляторах). Останов при этом происходит значительно быстрее, но возможности рассеяния тепла не безграничны. Если рассеять энергию таким образом не удается (например, в подъемных механизмах), следует применить тормозной модуль и тормозной резистор. Трудность выбора заключается в том, что определить оправданность применения тормозного модуля на этапе проектирования довольно трудно. Поэтому чаще всего применяется экспертная оценка его необходимости. Решение упрощается тем, что в большинстве современных преобразователей частоты тормозной модуль либо встроен в стандартной комплектации, либо может быть приобретен и подключен отдельно, уже после установки преобразователя. Тормозной резистор всегда покупается и устанавливается отдельно, следует только выбрать его сопротивление и мощность в соответствии с параметрами тормозного модуля и требуемой мощностью торможения.

 

Предыдущие статьи