Отличия преобразователей частоты от устройств плавного пуска двигателей

Содержание

Сферы применения

Частотно-регулируемые приводы применяют:

Для кранов и грузоподъемных машин. Крановые двигатели работают в режиме частых пусков, остановок, изменяющейся нагрузки. ЧП обеспечивают отсутствие рывков и раскачивания груза при пусках и остановках, остановку крана точно в требуемом месте, снижают нагрев электродвигателей и максимальный пусковой момент.
Для привода нагнетательных вентиляторов в котельных и дымососов. Общее управление с плавной регулировкой дутьевых и вытяжных вентиляторов позволяет автоматизировать процесс горения и обеспечить максимальный к.п.д . котельных агрегатов.
Для транспортеров, прокатных станов, конвейеров, лифтов. ЧП регулирует скорость перемещения транспортного оборудования без рывков и ударов, что увеличивает срок службы механических узлов.Для насосных агрегатов. ЧП позволяют обойтись без задвижек и вентилей, регулирующих давление и производительность, и существенно увеличить общий к.п.д системы водоподачи.
Для электродвигателей станков. Использование преобразователя частоты вместо коробки передач позволяет плавно увеличивать или уменьшать частоту вращения рабочего органа станка, осуществлять реверс. ЧП широко используются для станков с ЧПУ и высокоточного промышленного оборудования.

Внедрение частотно-регулируемых приводов дает значительный экономический эффект. Снижение затрат достигается за счет сокращения потребления электроэнергии, расходов на ремонт и ТО двигателей и оборудования, возможности использования более дешевых асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, а также сокращения других производственных издержек. Средний срок окупаемости частотных преобразователей составляет от 3-х месяцев до трех лет.

Устройство и принцип действия софт стартеров

Регулирование действующего значения напряжения осуществляется при помощи тиристорных модулей, которые в свою очередь управляются микропроцессором, расположенным на плате управления. В зависимости от типа софт-стартера, может осуществляться регулировка напряжения в двух фазах, обычно такая схема реализована в более бюджетных вариантах, либо в трех фазах.

В первом случае встречно-направленные тиристоры устанавливаются в первой и третьей фазах– по два. Один из тиристоров предназначен для положительного полупериода, второй – для отрицательного. В третьей фазе, которая условно называется неуправляемой, значение тока равно сумме значений тока в первых двух фазах (управляемых). При такой схеме, напряжение одной фазы все время будет присутствовать на двигателе.

Более функциональным является регулирование напряжения в трех фазах. В данном случае можно строить различные кривые разгона, управлять моментом, реализовать функцию энергосбережения.

При пуске сигнал приходит на тиристоры таким образом, чтобы проходила только последняя часть каждого полупериода синусоидального напряжения. Далее сигнал поступает все раньше, в соответствии с установленным временем разгона, и все большее напряжение будет проходить через тиристоры. В конце концов сигнал отправляется точно после прохождения нуля, после чего через тиристоры проходит уже полное напряжения. После разгона, тиристоры находятся в открытом состоянии, а сетевое напряжение приходит на клеммы двигателя.

При плавном останове происходит обратный процесс. Изначально тиристоры пропускают полное напряжение, а при начале останова уменьшают его в соответствии с установленным временем.

Помимо тиристорных модулей и платы управления, устройство плавного пуска может иметь также встроенное реле перегрузки, измерительные трансформаторы тока, термисторную защиту, дисплей и клавиатуру, радиатор и вентиляторы, интерфейсы связи.

Многие устройство плавного пуска имеют встроенный байпасный контактор в главной цепи, что является вообще отличительной особенностью данного вида устройств. Если встроенный байпас не предусмотрен, то рекомендуется использовать обычные внешние контакторы.

Байпасный контактор применяется для подключения двигателя напрямую к питающей сети, по окончанию процесса запуска, после того, как УПП разгонит двигатель на номинальные обороты и необходимость в нем отпадает. При торможении, контактор отключится и двигатель снова подключается к устройству плавного пуска.

Такая схема связана с тем, что при работе устройства плавного пуска его силовые элементы, в частности тиристоры, сильно нагреваются, что приводит, во первых, к выделению тепла, которое необходимо где-то рассеивать, а во вторых, к преждевременному выходу их из строя. Можно конечно использовать дополнительный теплоотвод (радиаторы, вентиляторы), но это ведет к увеличению габаритных размеров, цены. А так, как софт-стартер нужен только в момент запуска, то получается, что проще будет вывести его из работы на то время, пока двигатель работает в номинальном режиме.

Методика подключения преобразователя частоты к двигателю

Подключение преобразователя возможно только при соблюдении рекомендованной изготовителем комплектации устройства:

Сечения определённых типов;
Провода определённых типов;
Дополнительное оборудование.

К дополнительному оборудованию можно отнести:

Реактор ПТ;
Тормозной блок;
Фильтр (входной/выходной).

Не рекомендовано занижение номинала автоматического выключателя. Даже минимальное несоответствие может привести к хаотичному размыканию цепи, что зачастую сводит ситуацию к тому, что звено постоянного тока выходит из строя, и схема оказывается нарушена

Следует обращать внимание на то, чтобы наконечники проводов были хорошо обжаты

Зачастую при самостоятельной установке входная и выходная клеммы оказываются перепутаны (хотя общепонятную маркировку преобразователя вполне можно увидеть). Поэтому нужно знать, схема формируется таким образом, что клеммы L1, L2, L3 используются для соединения с питающей сетью, а U, V, W — предназначаются для электродвигателя. Если не соблюсти этого правила, скорее всего придётся всё ремонтировать.

Ввод в эксплуатацию преобразователя частоты Danfoss VLT Micro Drive FC 51

Watch this video on YouTube

Также, поломка гарантирована, если на входы управляющего элемента осуществляется подача напряжения на 220 и 380 вольт.

Где используются мягкие пускатели

Мягкие пускатели целесообразно применять там, где существует большая нагрузка на валу в момент включения двигателя. Как следствие – большие пусковые токи.

Кроме того, иногда очень важно обеспечить не только плавный пуск, но и плавный останов. Например, при питании тех же конвейеров, чтобы предметы не попадали или не сместились

Либо в насосном оборудовании, для предотвращения гидроудара при выключении.

Мягкий пуск электродвигателя при помощи мягких пускателей и преобразователей частоты успешно решает все эти проблемы, а также даёт другие преимущества, предоставляя полную свободу в управлении двигателем.

Принцип действия устройства плавного пуска

Стартсофтеры бывают:

Механические;
Электрические.

Рассмотрим принцип действия каждого из видов УПП.

Механическое регулирование пусковых характеристик

Для плавного пуска электродвигателя можно использовать способ механического сдерживания нарастающей скорости вращения. Для этого используют устройства, механически регулируя вращение вала. такие как блокираторы магнитного действия, тормозные колодки, жидкостные муфты и противовесы с дробью.

Принцип действия у всех этих способов один — сдерживание оборотов вала электродвигателя при пуске.

Электрические устройства для плавного пуска электродвигателей

Принцип действия электрических УПП заключается в ограничении подаваемого на электродвигатель напряжения, роль ограничителей как правило выполняют соединенные тиристоры, схема подключения выглядит вот так:.

Чтобы лучше понять, как работает стартсофтер, нужно подробнее изучить запуск. Теоретически это процесс преобразования энергии из электрической в кинетическую. При этом сопротивление двигателя от малого значения, характерного для не вращающегося двигателя, увеличивается до большого, когда уже достигнута номинальная скорость. И по закону Ома(I=U/R) в начальный момент ток максимален.

Формула же энергии имеет вид: E=P*t=U*I*t. А поскольку в начале запуска ток максимален, то энергия должна передаваться очень быстро. Если же своими руками подключить электродвигатель к сети через УПП, то на входе в устройство будет работать вторая формула. Энергия будет подаваться очень быстро, но выходить будет медленно. Это достигается путем ограничения напряжения, контролирующего рост пускового тока. А поскольку в обеих формулах ток имеет одинаковую величину, видно, что чем меньше сила тока, тем больше времени потребуется на разгон. Но разгон при этом будет плавный.

Управление электрическими стартсофтерами

Различают два вида электрических устройств, смягчающих пусковой процесс:

С амплитудным управлением;
С фазовым управлением.

Работа амплитудного УПП базируется на постепенном увеличении напряжения на клеммах мотора до максимальной величины. Такие устройства помогают запускать электродвигатели в холостом режиме или с небольшой нагрузкой.

Фазовые стартсофтеры регулируют частотные характеристики фазного тока без снижения напряжения. Это позволяет сохранить высокую мощность мотора, запускать который можно даже с большой нагрузкой. Установить плавное нарастание вращательной частоты можно даже в рабочем режиме. Это важная функция, благодаря которой можно менять скорость вала, не теряя мощность.

Оборудовать электродвигатель устройством плавного пуска или нет – ваше личное дело, если только он не завершает работу на полпути до разгона. Но имейте в виду, что за рубежом запрещено пускать в ход моторы мощностью более 15000 Ватт без стартсофтера. Попытка сэкономить на УПП может привести к преждевременному износу механизма. Если уж не хочется сильно тратиться, то просто установите устройство своими руками, но приобретите его обязательно.

Настройка параметров

Рассмотрим подробно для примера переднюю панель Софтстартера Toshiba TMC7, внешний вид которого показан в самом начале этой статьи.

Мягкий пускатель (SoftStarter) Toshiba TMC7 – передняя панель

Reset – сброс ошибок.

Trip codes – коды ошибок, которые индицируются в определенном количестве миганий светодиода Ready.

Вот количество миганий и соответствующая ошибка:

Проблема с силовой частью
Превышено время старта
Перегрузка двигателя
Перегрев двигателя
Дисбаланс по фазам
Частота на входе вышла за пределы 40…72 Гц
Ошибка чередования фаз
Ошибка связи (в случае применения дополнительного модуля)

Current Ramp – Нарастание тока при запуске, в процентах и в секундах.

Motor FLC – ток двигателя, в процентах от номинала мягкого пускателя. Параметр защиты двигателя.

Current limit – ограничение тока во время старта

Soft Stop – время мягкого останова. 0 – выбег двигателя (отключение питания, вращение по инерции)

Motor Trip Class – Класс термозащиты двигателя. Чем выше значение, тем медленнее сработает тепловая защита двигателя при перегрузке. Число соответствует максимальному времени в секундах, через которое сработает защита при токе 7,2 от номинального. В мотор-автоматах и тепловых реле классы защиты (точнее, классы расцепления) бывают 10А, 10, 20, 30. Подробнее в ГОСТ Р 50030.4.1-2012 табл.2.

AUX relay, Phase rotatoin – функция внутреннего реле, защита от смены фаз от неправильного вращения

Excess Start Time – Превышение времени старта. Двигатель за данное время не смог развить номинальную скорость. Требуется увеличить уровень ограничения тока.

По контактам управления.

С1, С2 – клеммы подключения термистора двигателя. Если термистора нет, устанавливается перемычка.

R33…R44 – выходы функциональных реле

02, 01 – подключение кнопок управления

А2, А1, А3 – выходы для питания цепей управления и контрольных цепей схемы софт стартера.

Принципы функционирования частотного преобразователя

Регуляция пускового тока может осуществляться вручную, но это увеличивает затраты электропотребления и снижает срок эксплуатации асинхронного двигателя. Обычно без преобразователя напряжения показания до семи раз превышают значение номинала. Определённо, это не самые лучшие условия для эксплуатации.

Принцип работы преобразователей частоты связан со спецификой действия асинхронного электродвигателя. У двигателя подобного вида наблюдается зависимость между вращательной частотой магнитного поля и частотой напряжения питающего тока. В данном моменте и заключается смысл методики частотного управления. Изменяемая преобразователем входная частота напряжения отвечает за регуляцию частоты вращения. Таким образом, диапазон значений выходного напряжения весьма широк.

По принципу работы силового элемента частотные преобразователи можно отнести к следующим категориям:

Конструкции, имеющие выраженный промежуточный неуправляемый выпрямитель.
Конструкции, имеющие непосредственную связь (без промежуточного звена).

Частотники второго типа появились гораздо раньше, в них силовой компонент представлен управляемым выпрямителем, сконструированным из тиристоров. Формирование выходного сигнала происходит при поочерёдном отпирании тиристоров управляющим узлом. На сегодняшний день такие приборы потеряли свою актуальность.

Что касается частотного преобразователя первого типа, то он примечателен тем, что его можно запитать через внешнее звено постоянного тока. Сам частотник при этом защищается предохранителем быстрого действия. Однако, это делает нежелательным применение контакторов, поскольку данная разновидность коммутации провоцирует возникновение повышенного зарядного тока и выгорание предохранителей.

Работа частотного преобразователя связана с принципом двойного преобразования напряжения:

Регуляция сетевого напряжения через выпрямление и фильтрование (для этого используются конденсаторные системы).
Задействуется электронное управление, устанавливающее заблаговременно выбранную частоту тока.
Происходит образование прямоугольных импульсов, корректируемых при помощи обмотки статора. В результате они преобразуются в синусоиду.

Для чего нужен преобразователь частоты?

ПЧ – самое совершенное электронное устройство, через которое можно крутить асинхронный двигатель. Вот основные функции преобразователя частоты:

Пуск/Стоп двигателя,
Плавный разгон/замедление (торможение),
Изменение рабочей скорости от 0 до 100% и выше номинала,
Защита двигателя (их несколько – по току, температуре и др.),
Реверс,
Несколько вариантов управления (дискретное, аналоговое, по программе – от кнопок, реле, потенциометров, датчиков, контроллера, и т.д.).

Преобразователь частоты имеет несколько названий, которые используются на равных условиях:

преобразователь частоты (ПЧ) – официальное название, его использует большинство производителей в своей документации,
частотный преобразователь (ЧП),
частотник – можно считать жаргоном, но в разговоре употребляется наиболее часто,
инвертор,
Inverter, Frequency Converter (FC), Variable Frequency Drive (VFD) – на английском.

Все эти названия могут использоваться в других сферах, поэтому иногда нужно уточнять. Что касается темы статьи, наша сфера – подключение преобразователя частоты для трехфазных асинхронных двигателей.

Конечно, асинхронный двигатель можно не только через ПЧ, для этого есть несколько различных устройств. По подключению двигателей у меня много статей, вот основные:

Схемы подключения трехфазного электродвигателя
Схемы подключения магнитного пускателя
Подключение двухскоростного асинхронного двигателя
Схемы подключения двигателя “Звездой” и “Треугольником”
Реле для управления двигателем по схеме “Звезда-Треугольник”
Мягкий пускатель (софтстартер) – устройство и применение
Устройство плавного пуска (УПП) электродвигателя. Пример применения
Описание работы схем на реле и контакторах

Недостатки УШМ без плавного пуска

Аккумуляторная угловая шлифмашина Metabo W 18 LTX 125 602174850 с плавным пуском. Фото ВсеИнструменты.ру

Кроме обеспечивающих комфортные условия работы пользователю, болгарка с плавным пуском обладает рядом других достоинств.

Отсутствие во время плавного пуска болгарки большого пускового тока, который в разы превышает номинальное значение этого параметра во время работы, повышает надежность электрической части электроинструмента. В этом случае провода обмоток не испытывают перегрузок и не растрескиваются, ламели коллектора и щетки не подвергаются износу от повышенного искрения, в местах контакта не происходят процессы, ухудшающие соединение.
Во время равномерного повышения числа оборотов до номинального значения болгарка с плавным пуском не испытывает повышенных динамических нагрузок, которые возникают при его отсутствии. Мгновенный набор 6000 оборотов в минуту и более не проходит бесследно для шестеренчатой передачи и подшипниковых узлов. Они быстрее выходят из строя, поэтому болгарки без такого устройства чаще ремонтируются.

Выбор устройства плавного пуска

При выборе УПП определяющим является номинальный ток двигателя и условия запуска.

При легком и нормальном пуске, например, при работе с центробежными насосами, компрессорами, мощность УПП выбирается такой же, как и мощность подключаемого двигателя, можно с небольшим запасом.

При тяжелом пуске под нагрузкой, или повышенной частоте запусков, желательно выбирать более мощный УПП, на один типоразмер больше. Также это относится к работе устройств в условиях тяжелой эксплуатации, в частности повышенной температуры окружающей среды.

На этот показатель влияют несколько факторов, таких как ток нагрузки, температура, время пуска и коэффициент продолжительности включения, который определяет, как долго УПП работает, по сравнению с общим временем цикла.

Ниже в таблице приведены режимы пуска, в зависимости от типа нагрузки. Эти данные подойдут для предварительного выбора, для более точного подбора оборудования, рекомендую воспользоваться программами конфигураторами для выбора устройств плавного пуска, такими например, как ABB ProSoft, или Win-Soft Starter для Siemens.

Применение частотных преобразователей, устройств плавного пуска

Частотник рекомендуется применять тогда, когда нужно регулирование параметра техпроцесса изменением оборотов электродвигателя, момента вращения:

Температуры в механизмах охлаждения.
Расхода воды в нагнетателе.
Давление воды в коллекторе.
Удержание момента вращения на дробилках, мельницах

В этом случае применяется регулирование обратной связи по скорости вращения, по моменту.

Устройства плавного пуска применяют:

Для уменьшения изнашивания агрегатов исполнения и электродвигателей при запусках, пиковых нагрузках.
В случае нехватки мощности (кВт) сети питания разгона электродвигателя.

Частотный преобразователь имеет опцию устройства плавного пуска и дает возможность удерживать значение параметра. В сетях снабжения преобразователь частоты управляет электродвигателем, позволяющим удерживать выходное давление непостоянного вида, экономию электроэнергии, основное давление постоянное.

Выбор частотного преобразователя

При проектировании частотно-регулируемого электропривода необходимо учесть множество нюансов. При выборе частотника руководствуются следующими критериями:

Назначение преобразователя. Многие производители выпускают ПЧ, предназначенные для электродвигателей насосов, лифтов, электроприводов вентиляционных систем, а также универсальные устройства общепромышленного назначения. Специализированные частотники производят под конкретное технологическое оборудование. Возможность их адаптации существенно ограничена. Общепромышленные регуляторы частоты можно настраивать под различные приводы.
Способ управления и поддержка различных протоколов связи. Регулируемые по частоте электроприводы обычно интегрируются в комплексные системы автоматизации и удаленного контроля и управления. Частотный преобразователь должен быть укомплектован контроллером, который поддерживает связь по протоколу, применяемому в конкретной АСУТП.
Мощность и перезагрузочная способность. Номинальная электрическая мощность преобразователя должна быть больше аналогичного параметра электродвигателя на 15-30%. При расчете мощности учитывают пусковые токи электрической машины, пиковые нагрузки на двигатель и их длительность. Ошибки ведут к перегреву частотника, выходу из строя силовых транзисторов или тиристоров.
Диапазон и точность регулирования. Интервал изменения частоты и точность ее задания должны соответствовать требованиям условий технологического процесса. Возможность изменения частоты у скалярных преобразователей 1:10, если требуется более широкий диапазон, необходим частотник с векторным управлением.
Электромагнитная совместимость. Частотный преобразователь чувствителен к электромагнитным помехам и сам является их источником. Выбор устройства осуществляется на основании условий его установки. При необходимости может потребоваться его установка в отдельном помещении, подключение специальных фильтров и использование экранированных кабелей. Компания «Данфосс» выпускает преобразователи, укомплектованные встроенными ЭМ-фильтрами.
Наличие функций отключения двигателя при перегреве, дисбалансе фаз, перегрузках, других аварийных и ненормальных режимов работы.
Наличие автоматизированного управления по событиям. Для синхронизации работы промышленного оборудования необходимы частотники, имеющие функции регулирования по достижению определенной величины технологических параметров.
Количество входов и выходов для подключения удаленных устройств управления и контроля. На случай модернизации САР или усложнения АСТП рекомендуется выбрать частотники с избыточным количеством аналоговых и дискретных разъемов. Для электроприводов автоматизированных систем рекомендуется подобрать частотный регулятор со встроенной памятью и функцией ведения журнала событий.
Номинальный ток и напряжение. Электрические параметры частотника должны соответствовать характеристикам электродвигателя.

Выбор частотного регулятора для промышленного оборудования делается на основании расчетов по специализированным методикам. Малейшие ошибки могут привести к авариям, которые могут иметь непредсказуемые последствия. Проектирование электропривода и выбор ПЧ целесообразно доверить специалистам по автоматизации. Правильный выбор частотника обеспечивает экономию электроэнергии до 40-50%, снижение затрат на ремонт и обслуживание электропривода и дает неплохой экономический эффект.

Зачем асинхронному двигателю УПП

При пуске двигателя в ход напрямую в одно мгновение крутящий момент достигает 150-200% от номинального значения. В это же время образуются пусковые токи, которые превышают номинальный в 5, а то и больше раз. Повышенные во время запуска мотора характеристики становится причиной проблем:

Повреждение изоляции обмоток и прекращение работы вследствие перегрева.
Выход из строя кинематической цепи провода из-за обрыва транспортерных лент, механических рывков или гидравлических ударов.
Тяжелый пуск, препятствующий его завершению.

Именно эти проблемы вызывают у электрического двигателя необходимость в устройстве плавного пуска. Благодаря ему мотор разгоняется плавно, без рывков и ударов. Пусковые токи снижаются. Поэтому удовлетворительное состояние изоляции будет держаться еще долго.

А как понять, что пуск тяжелый, и двигатель нужно оборудовать УПП? Для этого познакомьтесь с описанием трех случаев этого явления:

Пуск слишком тяжелый для используемого источника питания. От сети нужен ток, который она может выработать только при «работе на износ» или не может выдать такое значение вообще. При попытке запуска на входе системы вырубаются автоматы, лампочки отключаются. Некоторые контакторы и реле переключения отключаются, а генератор питания прекращает работу. В этом случае УПП поможет, если питающая сеть сможет обеспечить 250% от номинального значения тока вместо 500-800%, которые были ей не под силу. Если же сеть не даст даже 250%, то смысла в установке устройства плавного пуска нет.
Двигатель не запускается напрямую (не начинает крутиться или не разгоняется до нужной скорости, вызывая срабатывание защитной системы). УПП не поможет, но можно попробовать исправить ситуацию с помощью преобразователя частоты.
Запуск отличный, но на входе отключается автомат еще до того, как устанавливается номинальная частота. УПП может помочь, но не обязательно. Чем ближе частота вращения к номинальному значению в момент срабатывания автомата, тем больше шансов на успех.

Продвинутые устройства плавного пуска для асинхронных двигателей выполняют дополнительные функции:

Защита от короткого замыкания при пуске в ход;
Предотвращение обрыва фазы;
Исключение повторного незапланированного включения;
Защиты от превышения номинальных нагрузок.

Использовать такие устройства можно не только для смягчения запуска, но и для плавной остановки мотора. График ниже показывается зависимость скорости вращения двигателя от времени при прямом пуске и с использованием стартсофтера (второе название УПП).

Дополнительный бонус обладателям УПП: можно будет подобрать менее мощный источник бесперебойного питания, если в нем есть необходимость.