Преобразователи частоты (инверторы) VFD. Общее описание и выбор частотных преобразователей.

Преобразователь частоты (иначе частотно-регулируемый электропривод) представляет из себя статическое преобразовательное устройство, предназначенное для изменения скорости вращения асинхронных электродвигателей переменного тока.

Асинхронные электродвигатели имеют значительное преимущество перед электродвигателями постоянного тока за счет простоты конструкции и удобства обслуживания. Это обуславливает их однозначное преобладание и повсеместное применение практически во всех отраслях промышленности, энергетики и городской инфраструктуре.

Известно, что регулирование скорости вращения исполнительного механизма можно осуществлять с помощью различных устройств (способов), среди которых наиболее известны и распространены следующие:

• механический вариатор
• гидравлическая муфта
• электромеханический преобразователь частоты (системы Генератор-Двигатель)
• дополнительно вводимые в статор или фазный ротор сопротивления и др.
• статический преобразователь частоты

Первые четыре способа отличются различными комбинациями из следующих недостатков:

• сложности в применении, обслуживании, эксплуатации
• низкое качество и диапазон регулирования
• неэкономичность

Все указанные недостатки отсутствуют при использовании частотных преобразователей.

Регулирование скорости вращения асинхронного электродвигателя в этом случае производится путем изменения частоты и величины напряжения питания двигателя. КПД такого преобразования составляет около 98 %, из сети потребляется практически только активная составляющая тока нагрузки, микропроцессорная система управления обеспечивает высокое качество управления электродвигателем и контролирует множество его параметров, предотвращая возможность развития аврийных ситуаций.

На рисунке показан состав силовой части такого преобразователя частоты: входной неуправляемый выпрямитель – звено постоянного тока с LC-фильтром – автономный инвертор напряжения с ШИМ.

Это необходимо для решения стандартных проблем практически любого предприятия или организации:

• экономии энергоресурсов,
• увеличения сроков службы технологического оборудования,
• снижения затрат на планово-предупредительные и ремонтные работы,
• обеспечения оперативного управления и достоверного контроля за ходом технологических процессов и др.
• Значительная экономия электронергии легко достигается при одном условии – приводной механизм должен что-либо регулировать (поддерживать какой – либо технологический параметр).
• Если это насос, то нужно регулировать расход воды, давление в сети или температуру чего-либо охлаждаемого или нагреваемого.

Если это вентилятор или дымосос, то регулировать нужно температуру или давление воздуха, разрежение газов.

Если это конвейер, то часто бывает нужно регулировать его производительность. Если это станок, то нужно регулировать скорости подачи или главного движения.

Можно сразу выделить типовые механизмы, отличающиеся высокой эксплуатационной и экономической эффективностью при внедрении преобразователей частоты и систем автоматизации на их базе:

• насосы, вентиляторы, дымососы;
• конвейеры, транспортеры;
• подъемники, краны, лифты и др.

Особый экономический эффект от использования преобразователей частоты дает примение частотного регулирования на объектах, обеспечивающих транспортировку жидкостей. До сих пор самым распространённым способом регулирования производительности таких объектов является использование задвижек или регулирующих клапанов, но сегодня абсолютно доступным становится частотное регулирование асинхронного двигателя, приводящего в движение, например, рабочее колесо насосного агрегата или вентилятора.

Перспективность частотного регулирования наглядно видна из приведённого ниже рисунка.

Очень важно сделать правильный выбор преобразователя. От него будет зависеть эффективность и ресурс работы частотного преобразователя и всего электропривода в целом. В первую очередь при выборе модели преобразователя частоты следует исходить из конкретной задачи, которую должен решать электропривод, типа и мощности подключаемого электродвигателя, точности и диапазона регулирования скорости, точности поддержания момента вращения на валу двигателя, времени, отведенного для разгона и торможения, продолжительности включения и количества включений в час.

Так же, можно учитывать конструктивные особенности преобразователя, такие как размеры, форма, возможность выноса пульта управления и др.

При работе со стандартным асинхронным двигателем частотный преобразователь  следует выбирать с соответствующей мощностью. Если требуется большой пусковой момент или короткое время разгона/замедления, выбирайте преобразователь частоты на ступень выше стандартного.

При выборе частотного преобразователя для работы со специальными двигателями (двигатели с тормозами, погружные двигатели, с втяжным ротором, синхронные двигатели, высокоскоростные и т.д.) следует руководствоваться, прежде всего, номинальным током преобразователя, который должен быть больше номинального тока двигателя, а также особенностями настройки параметров преобразователя. В этом случае, желательно проконсультироваться со специалистами поставщика.

Для увеличения точности поддержания момента и скорости на валу двигателя в наиболее совершенных преобразователях частоты от Delta Electronics (VFD-VE/VL/B/E/M) реализовано векторное управление, позволяющее работать с полным моментом двигателя в области нулевых частот, поддерживать скорость при переменной нагрузке без датчиков обратной связи, точно контролировать момент на валу двигателя.

Рекомендации по выбору преобразователя частоты (инвертора):

• Частотный  алгоритм управления 
  рекомендуется применять  в случаях, когда зависимость момента нагрузки двигателя известна и нагрузка практически не меняется при одном и том же значении частоты, а так же нижняя граница регулирования частоты не ниже 5…10 Гц при независимом от частоты моменте. При работе на центробежный насос или вентилятор (это типичные нагрузки с моментом, зависящим от скорости вращения) диапазон регулирования частоты – от 5 до 50 Гц и выше. При работе с двумя и более двигателями.
• Частотный алгоритм управления с обратной связью по скорости
  рекомендуется применять  для прецизионного регулирования (необходимо использовать инкрементальный энкодер) с известной зависимостью момента от скорости вращения.
• Векторный алгоритм управления
  рекомендуется применять для случаев, когда в процессе эксплуатации нагрузка может меняться на одной и той же частоте, т.е. нет четкой зависимости между моментом нагрузки и скоростью вращения, а также в случаях, когда необходимо получить расширенный диапазон регулирования частоты при номинальных моментах, например, 0…50 Гц для момента 100% или даже кратковременно 150–200% от номинального момента. Векторный алгоритм работает нормально, если введены правильно паспортные величины двигателя и успешно прошло его автотестирование. Векторный метод реализуется путем сложных расчетов в реальном времени, производимых процессором преобразователя на основе информации о выходном токе, частоте и напряжении. Процессором используется так же информация о паспортных характеристиках двигателя, которые вводит пользователь. Время реакции преобразователя на изменение выходного тока (момента нагрузки) составляет 50…200 мсек. Векторный метод позволяет минимизировать реактивный ток двигателя при уменьшении нагрузки путем адекватного снижения напряжения на двигателе. Если нагрузка на валу двигателя увеличивается, то преобразователь адекватно увеличивает напряжение на двигателе.
• Векторный алгоритм управления с обратной связью по скорости
  рекомендуется применять  для прецизионного регулирования (необходимо использовать инкрементальный энкодер) скорости, когда в процессе эксплуатации нагрузка может меняться на одной и той же частоте, т.е. нет четкой зависимости между моментом нагрузки и скоростью вращения, а также в случаях, когда необходим максимальный диапазон регулирования частоты.

Механические характеристики асинхронного двигателя (8А/1720об/мин/12Нхм)
при использовании векторного управления в VFD022B23B при моментах близких к номинальному.

Механические характеристики асинхронного двигателя (8А/1720об/мин/12Нхм)
при использовании частотного и векторного управления в VFD022М23B