Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором — наиболее простой по конструкции, надежный и дешевый тип двигателя для применения в приводах промышленных механизмов и машин. С появлением современных силовых полупроводниковых приборов — IGBT-модулей и GTO-тиристоров, — созданы гибкие и эффективные преобразователи частоты (ПЧ), позволяющие регулировать скорость асинхронных электродвигателей в широком диапазоне с одновременным управлением усилием на валу двигателя. Правильный выбор ПЧ совместно с двигателем позволяет создать эффективный и долговечный привод для практически любого вида механизмов промышленного или бытового применения.
Большинство производителей преобразователей частоты представляет технические характеристики своих изделий упорядоченно в виде нескольких функционально объединенных разделов:
Описание процедуры подбора преобразователя частоты для конкретного применения имеет смысл представить в той же последовательности.
Подбор электродвигателя не входит в задачи данного обзора, поэтому будем считать, что проектант имеет исчерпывающую информацию о двигателе и свойствах нагрузки. Когда речь идет о мощности двигателя, подразумевается механическая мощность на валу. Для оценки потребляемой двигателем (входной) мощности, т. е. мощности нагрузки ПЧ, следует учитывать к.п.д. (η) и коэффициент мощности (cos φ
) двигателя.
Момент на валу двигателя принято представлять двумя составляющими: статической и динамической. Первая — момент, расходуемый на преодоление сил сопротивления и трения в рабочем механизме. Вторая — момент, расходуемый на преодоление инерции маховых масс самого двигателя, присоединенной трансмиссии и рабочего механизма.
Существует довольно обширный класс промышленных механизмов, в которых момент на валу электродвигателя однозначно связан со скоростью вращения, а пуско-тормозные режимы составляют незначительную часть рабочего цикла. К ним относятся центробежные насосы и вентиляторы, транспортеры, конвейеры, рольганги и т. п. В этих случаях подобрать ПЧ можно по мощности двигателя: паспортная мощность ПЧ (Sпч) должна быть больше или равна мощности, потребляемой двигателем по цепи питания.
Sпч ≥ [k * Pдв] / [η * cos φ
]
Здесь Pдв — паспортное значение мощности электродвигателя; k — коэффициент искажений кривой тока ПЧ, учитывающий ШИМ — модуляцию выходного напряжения.
Для преобразователей, предназначенных для работы в составе транспортеров и конвейеров характерна перегрузочная способность до 150%, а в приводах вентиляторов и насосов — до 120%. С учетом этого, в отдельных случаях можно выбирать преобразователь на ступень ниже по мощности.
Подход меняется в тех случаях, когда в нагрузке привода значительную роль играет динамическая составляющая. Это характерно для механизмов с существенно непостоянным моментом инерции рабочей машины или когда режимы разгона, торможения и реверса повторяются часто или существенно ограничены по времени. К таким относятся приводы металлургического и подъёмно-транспортного оборудования, металлообрабатывающих станков, электротранспорта и т. п.
Из двух элементов привода — ПЧ и электродвигателя — второй существенно «крепче» в электротехническом отношении. В асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором, например, при прямом пуске ток может достигать величины, в 5…7 раз превышающей номинальный, а в отдельных случаях — до 12. Если при этом температура обмоток не превысит установленную, такой режим обходится без последствий. Преобразователь частоты обладает гораздо более скромными возможностями из-за ограничений силовых полупроводниковых приборов. В большинстве моделей ПЧ предельная перегрузка допустима в диапазоне 120…200% по отношению к номинальному току. Поскольку ток двигателя напрямую определяет усилие на валу, то очевидно, что динамические возможности привода будут определяться токоограничением ПЧ. В этих случаях, помимо выбора ПЧ по мощности, обязательна проверка преобразователя по предельному току при выполнении разгона максимальной интенсивности, или наоборот, возможность обеспечения времени разгона при предельном токе ПЧ. Для случая постоянного ускорения можно воспользоваться известными соотношениями для действующего значения предельного тока (Iпр) и времени разгона (∆tр):
Iпр =[k*(Mст +Mдин)*∆n] / [9,55* η * cos φ
*√3*Uл]
Mдин = [J*∆n] / [9,55*∆tр]
Здесь: ∆n — приращение скорости в течение переходного процесса (об/мин); Mст — статическая составляющая момента вала двигателя (обычно — паспортное значение номинального момента, н*м); Mдин – динамическая составляющая момента двигателя (н*м); Uл — линейное напряжение, подводимое к двигателю (действующее значение, В); J — суммарный момент инерции всего механизма и двигателя, приведенный к валу двигателя (н*м/сек²).
Если предельный ток Iпр превышает ток ограничения ПЧ, или время разгона ∆tр больше, чем требуемое, нужно выбирать преобразователь стоящий выше по шкале мощностей. Иногда производитель ПЧ указывает допустимое время разгона при предельно допустимом токе — до 60 сек.
Правильный выбор ПЧ невозможен без учета решений по режимам торможения. Выбор определяет не только модель ПЧ, но и стоимость.
Применяются три основных метода:
После согласования величин напряжения, количества фаз и частоты питающей сети, очень важно оценить реальные диапазоны колебаний этих характеристик в реальных условиях эксплуатации. Значительные динамические нагрузки ПЧ способствуют сильным колебаниям питающего напряжения. Оценить это можно, зная реактивное сопротивление питающей сети или, хотя бы, частичного импеданса, вносимого питающим трансформатором и подводящими кабелями. Ситуация усугубляется в случаях, когда для ПЧ обязательно применение сетевого дросселя. Падение напряжения питания ПЧ при максимальных нагрузках должно оставаться в допустимых пределах. В противном случае необходимо определить: позволяют ли функциональные возможности ПЧ сохранить работоспособность рабочего механизма при провале питающего напряжения. Этот вопрос рассмотрен далее, в разделе выбора ПЧ по некоторым защитным функциям.
Главный вопрос подбора ПЧ по этим критериям — выбор метода управления: скалярный или векторный. Это вплотную касается как реализации технологических требований к приводу, так и стоимости. Выбор определяется требуемым диапазоном и точностью регулирования частоты и характером нагрузки двигателя.
Различают 4 метода управления:
Выпускаемые модели ПЧ обладают богатым набором защитных функций, незначительно отличающимся у отдельных моделей. Поэтому подбор ПЧ по защитным функциям важнее проводить с точки зрения наличия возможностей, обеспечивающих сохранение работоспособности привода в аварийном режиме. Необходимо установить, каковы действия преобразователя после срабатывания защитных функций:
Если имеющиеся функциональные возможности обеспечивают сохранение работоспособности привода или даже обеспечивают приемлемый режим его работы, то можно считать, что вопрос выбора ПЧ по критериям защитных функций решен.
Различные модели преобразователей частоты производства мировых лидеров, например Allen-Bradley, имеют специальные параметры, предназначенные для решения специализированных задач. Для облегчения работы пользователя с приводом настройка производится не программированием, а конфигурацией стандартных наборов параметров.
Место установки и эксплуатации ПЧ должно полностью удовлетворять паспортным требованиям по температурному диапазону, влажности, высоте положения, условиям вибрации и запыленности, степени защиты по IP.
Однако есть очень важный момент, влияющий на выбор ПЧ при конкретных условиях размещения. Существенным является расстояние от преобразователя до электродвигателя — длина силовых кабелей.. При превышении определенного расстояния, зависящего от модели ПЧ, типа кабеля, тока двигателя и др., необходима установка специального моторного дросселя, либо синусного фильтра.
По теме