Инженеры постоянно совершенствуют методы и системы, способные увеличивать энергоэффективность, надежность работы электрооборудования. В частности, для управления электромоторами различного назначения разработаны устройства плавного пуска и частотные преобразователи. С их помощью увеличивается ресурс агрегатов, расширяется их сфера использования и обеспечивается безопасность эксплуатации.
О принципе работы частотного преобразователя и устройства плавного пуска, их основных видах и назначении — в этой статье.
Частотный преобразователь: принцип действия
Основой принципа работы частотного преобразователя для двигателя является изменение угла сдвига и частоты смены фаз в подаваемом на агрегат электропитании. Схемы реализации этого эффекта могут быть разными. Подходы разработчиков различаются используемыми электрическими и электронными компонентами, эффективностью изделий.
Наибольшим КПД отличаются ПЧ, построенные на современной компонентной базе с использованием микросхем. Так как они позволяют формировать на выходе электроимпульсы с максимально приближенной к синусоидальной формой.
Разберем, как работает частотный преобразователь, на примере одной из наиболее распространенных схем. На первом этапе ПЧ преобразует — выпрямляет, переменное напряжение, поданное на вход, в постоянное. Для этого используются диодные мосты. Снижение пульсации тока дополнительно уменьшается установкой конденсаторов со специально подобранной емкостью.
Затем с помощью электронной компонентной базы или простых электрических деталей — тиристоров, выполняется обратный процесс. Напряжение на выходе преобразуется в переменное. Но уже с иной частотой и нужным сдвигом фаз. При этом форма электроимпульсов получается максимально близкой к синусоидальной. Что положительно отражается на стабильности работы электродвигателей.
Для чего нужен частотный преобразователь
Рассмотрим, для чего нужен частотный преобразователь для электродвигателя и агрегатами, выполненными на электрических силовых установках. Основных задач две:
-
Управление скоростью вращения ротора. В промышленных асинхронных электродвигателях этот параметр жестко увязан с частотой смены фаз электропитания. Скорость вращения отстает от нее на величину скольжения. Увеличивая частоту смены фаз в электропитании, можно ускорить ротор. Но до ограниченного конструкцией мотора/агрегата предела.
-
Защита электромотора от проблем по питанию. Как было отмечено выше, ПЧ включает две ступени преобразования напряжения. Что позволяет компенсировать некоторые погрешности электроснабжения, подаваемого от поставщика. Тем самым обеспечив электродвигатель оптимальным питанием, продлив срок его службы.
Виды устройств
В зависимости от способа управления агрегатом и числа доступных для контроля характеристик различают следующие виды частотных преобразователей:
-
Скалярные. Принцип действия частотных преобразователей скалярного вида предполагает наличие прямой связи между частотой и напряжением. С увеличением первого показателя постепенно увеличивается и второй.
-
Векторные. Название обусловлено возможность управления вектором фазы. ПЧ может изменять как угол сдвига, так и величину силы тока на выходе. Как итог, такие устройства могут управлять как скоростью вращения вала, так и его крутящим моментом.
В 80% реальных агрегатов устанавливают ПЧ скалярного типа. В частности, их применяют в насосном оборудовании, компрессорах. Векторные модели используются с агрегатами, работающими при повышенной нагрузке. Также их применяют в оборудовании, где требуется обеспечить высокую точность изменения скорости вращения и крутящего момента мотора.
Совершенство технологии, используемой в частотном преобразователе, определяет его эффективность. За счет низких потерь энергии модели, построенные на микросхемах, имеют больший КПД, чем сравнительно простые по конструкции тиристорные. Но с ростом эффективности усложняется схема, растет стоимость изделия.
Поэтому простые и надежные тиристорные модели можно по-прежнему увидеть в связке с насосным оборудованием в реальной эксплуатации. Несмотря на активное внедрение производителями интегральных микросхем и других технологичных решений.
Устройства плавного пуска — УПП
Применение систем плавного пуска — важный фактор обеспечения долгого срока эксплуатации электродвигателей. Эти устройства позволяют снизить ударную механическую нагрузку на части мотора, связанные с ним элементы агрегата при запуске. Одновременно УПП сглаживает скачок в электросети, связанный с отъемом значительной мощности на запуск электродвигателя.
Основная задача УПП — снизить пусковой ток. Работа устройства похожа на то, что делает частотный преобразователь частоты. Но УПП используется только при запуске электродвигателя и его остановке. После выхода значений напряжения и тока на оптимальные значения, оно отключается. ПЧ работает постоянно.
При отключении системы от электроснабжения УПП снова участвует в работе. На этом этапе оно отвечает за постепенное уменьшение силы тока, подаваемого на клеммы мотора.
Принцип действия УПП
Принцип действия устройства плавного пуска состоит в плавном наращивании мощности, подаваемой на подключенный мотор. Осуществляется этот процесс посредством постепенного увеличения силы тока за счет изменения угла фазы. Как и в случае с преобразователем частоты, существует несколько вариантов схем УПП, различающихся используемой элементной базой.
При этом УПП не ставит целью менять скорость вращения ротора. Оно изменяет (наращивает) уровень подаваемой мощности. Это второе принципиальное отличие от частотного преобразователя, одной из основных задач которого является управление скоростью вращения вала.
При монтаже оборудования устройство плавного пуска можно разместить в шкафу управления. Вместе с другим электрооборудованием. Его включение в схему при подаче напряжения и последующее отключения от нее в момент окончания подачи электроэнергии выполняется автоматически.
Некоторые модели ШУ комплектуются УПП с завода. Так, Омское предприятие «Взлет» комплектует шкафы управления для своих насосных станций надежными моделями Schneider Electric, Emotron, Danfoss. Они отличаются высокой эффективностью и надежностью.
Приобретение шкафа управления, укомплектованного УПП, освобождает покупателя от необходимости подбирать устройство самостоятельно. Частотные преобразователи также могут устанавливаться в ШУ. Существуют модификации этих компонентов, рассчитанные на монтаж с помощью стандартной рейки DIN.
Автор статьи: Александр Шихов