Если вы новичок и только начинаете изучать электродвигатели, вы, возможно, часто слышали термин «ЧРП». Но что такое ЧРП, как он работает, типы ЧРП, их преимущества и недостатки, а также связанные с ними области применения — это основы ЧРП, которые вы, возможно, не очень хорошо знаете, и эта статья отлично подойдёт для новичков.
Что такое ЧРП?
Частотно-регулируемый привод (ЧРП) — это тип электронного устройства, используемого для управления асинхронным или синхронным двигателем переменного тока путем изменения частоты и напряжения питания. Несмотря на то, что привод управляет частотой и напряжением, подаваемым на двигатель, мы обычно называем его регулятором скорости, поскольку результатом является изменение скорости двигателя. Другие названия ЧРП: регулируемый привод, частотно-регулируемый привод, привод переменного напряжения/частоты, привод переменного тока, микропривод, инвертор, привод переменной скорости.
Частотно-регулируемый привод — это устройство, используемое в системе привода, состоящей из трех основных подсистем: двигателя переменного тока, главного контроллера привода и интерфейса привод/оператор.
- Двигатель переменного тока, обычно трехфазный асинхронный двигатель, но иногда однофазный или синхронный двигатель.
- Главный контроллер привода, использующий твердотельную систему силового электронного преобразования, состоящую из трех различных подсистем: выпрямительного мостового преобразователя, звена постоянного тока и инвертора.
- Интерфейс мониторинга и управления, который предоставляет оператору или ПЛК средства для запуска и остановки двигателя, регулировки скорости, изменения направления и т. д. Интерфейс также предоставляет информацию о работе двигателя, состоянии привода и т. д. Связь с ПЛК может осуществляться через ряд последовательных протоколов связи или через традиционные релейные входы и выходы в сочетании с аналоговыми сигналами 4–20 мА или 0–10 В.
Как работает ЧРП?
Чтобы понять, как работает ЧРП, далее я объясню четыре его основные части: выпрямитель, шина постоянного тока/звено постоянного тока, инвертор и схема управления.
1. Выпрямитель
Он преобразует переменный ток от основного источника питания в постоянный. Этот компонент может быть однонаправленным или двунаправленным в зависимости от области применения, например, для четырёхквадрантного управления двигателем. В нём используются диоды, тиристоры, транзисторы и другие электронные коммутационные устройства.
2. Шина постоянного тока/звено постоянного тока
Звено постоянного тока накапливает энергию, преобразованную выпрямителем, устраняя пульсации постоянного тока на выходе выпрямителя и обеспечивая плавное постоянное напряжение. Оно состоит в основном из конденсаторов, которые фильтруют пульсации постоянного тока и накапливают их. В зависимости от типа пульсаций, оно также может включать в себя катушку индуктивности.
3. Инвертор
Этот компонент состоит из электронных ключей, таких как транзисторы, тиристоры, IGBT и т. д. Он получает постоянный ток из звена постоянного тока и преобразует его в переменный ток регулируемой частоты, который затем подается на двигатель. Он использует методы модуляции, такие как широтно-импульсная модуляция, для изменения выходной частоты и управления скоростью асинхронного двигателя.
4. Схема управления
Он состоит из микропроцессорного блока. Он передает сигналы на выпрямитель, шину постоянного тока и инвертор, а также принимает сигналы от этих компонентов. Он использует эти сигналы для включения и выключения полупроводниковых приборов инвертора, формирует различные управляющие сигналы для работы инвертора и контролирует его рабочее состояние для реализации функций защиты.
Типы ЧРП
На рынке представлены два основных типа частотно-регулируемых приводов: механические и электрические.
Типы механических частотно-регулируемых приводов
1. Привод с изменяемым шагом
Этот частотно-регулируемый привод представляет собой ременной привод с регулируемым диаметром одного или обоих шкивов в соответствии с конкретными требованиями. Этот механизм обеспечивает кратное передаточное отношение, что в конечном итоге обеспечивает переменную выходную скорость.
2. Тяговый привод
В этом частотно-регулируемом приводе диаметр контактной дорожки двух сопряженных металлических роликов регулируется, что обеспечивает многократное передаточное отношение и, следовательно, переменную выходную скорость.
3. Гидростатический привод
Этот частотно-регулируемый привод состоит из объёмного гидравлического насоса и двигателя. Объём жидкости на выходе насоса регулируется с помощью клапанов или изменением рабочего объёма.
4. Гидравлический гидровязкостный привод
В этом частотно-регулируемом приводе несколько дисков на входном валу прижимаются к соответствующему количеству дисков на выходном валу. Между дисками находится тонкая масляная пленка. Изменяя давление прижатых дисков, можно изменять передачу крутящего момента, обеспечивая тем самым работу с переменной скоростью.
5. Гидравлический гидродинамический привод или гидромуфта
В этом частотно-регулируемом приводе два рабочих колеса соединены между собой гидравлической жидкостью. Изменяя объём жидкости, можно изменять степень сцепления первичного и выходного валов, что обеспечивает регулируемую скорость. Это наиболее распространённый механический частотно-регулируемый привод в промышленности.
Типы электроприводов
Вихретоковая связь
Этот частотно-регулируемый привод (ЧРП) устанавливается между двигателем с фиксированной скоростью вращения и приводимым им механизмом. Он состоит из ротора с фиксированной скоростью вращения и ротора с регулируемой скоростью вращения с небольшим воздушным зазором между ними. На одном из роторов расположена обмотка возбуждения, создающая магнитное поле, которое связывает роторы и определяет передаваемый крутящий момент.
Приводы постоянного тока
Привод постоянного тока представляет собой преобразователь постоянного тока, преобразующий переменный ток в постоянное напряжение переменной величины и подающий его на обмотку якоря двигателя постоянного тока. Приводы постоянного тока обычно используют тиристорную технологию и могут использоваться во всех перечисленных выше безопасных зонах.
Приводы переменного тока
Существует три основных типа частотно-регулируемых приводов (ЧРП), все они преобразуют переменный ток на входе в постоянный, а затем преобразуют постоянный ток в переменный ток на выходе с помощью инвертора.
- Прямое преобразование: К этому типу относятся циклопреобразователи и другие матричные топологии, где входной переменный ток преобразуется в переменный ток за один этап. Такие частотно-регулируемые приводы (ЧРП) чаще всего представляют собой циклопреобразователи, управляющие синхронными двигателями с щёточным или бесщёточным возбуждением. Такие ЧРП используются в системах с низкой скоростью вращения двигателя и высоким крутящим моментом.
- Источник тока: действует как генератор постоянного тока, вырабатывая ток почти прямоугольной формы. Преобразователь частоты (ПЧ) для управления синхронными двигателями также называется инвертором с коммутацией нагрузки (ЧРП) и обычно использует тиристорную технологию. Из-за индуктивного источника его реакция значительно медленнее, поэтому он подходит только для нагрузок типа вентиляторов и насосов.
- Источник напряжения: В приводе с переменной скоростью (VSI) постоянный ток на выходе диодного мостового преобразователя накапливается в конденсаторной шине для подачи постоянного напряжения на инвертор. Приводы с переменной скоростью (VSI) работают как с асинхронными, так и с синхронными двигателями. Преобразователи напряжения являются единственным выбором для приводов, мощность которых превышает определённый предел. Подавляющее большинство приводов относятся к типу VSI с выходным напряжением ШИМ. В настоящее время наиболее распространёнными в промышленности частотно-регулируемыми приводами (VFD) являются преобразователи переменного тока, использующие инвертор напряжения (VSI).
Преимущества частотно-регулируемого привода
Энергия и экономия затрат на электроэнергию
Системы электродвигателей потребляют более 65% электроэнергии, потребляемой сегодня в промышленности. Оптимизация систем управления двигателями с использованием частотно-регулируемых приводов (ЧРП) может привести к значительному снижению энергопотребления оборудования. ЧРП позволяет добиться значительной экономии энергии, особенно в насосах, вентиляторах и компрессорах.
Эффективное и плавное управление
Управляя двигателем на максимально эффективной скорости, можно снизить количество ошибок. Частотно-регулируемый привод (ЧРП) обеспечивает более плавную работу ленты и конвейера, что устраняет дрожание при запуске и снижает тепловую и механическую нагрузку на двигатель и ременной привод.
Высокий коэффициент мощности
Схема коррекции коэффициента мощности, встроенная в звено постоянного тока частотно-регулируемого привода, снижает потребность в дополнительном оборудовании для коррекции коэффициента мощности. Это устраняет необходимость в дополнительных дорогостоящих конденсаторных батареях.
Коэффициент мощности типичного двигателя переменного тока при полной нагрузке может составлять от 0,7 до 0,8. По мере уменьшения нагрузки двигателя коэффициент мощности снижается. Асинхронные двигатели имеют очень низкий коэффициент мощности, особенно в режиме холостого хода. Низкий коэффициент мощности приводит к низкому использованию мощности из-за высоких потерь реактивной мощности.
Продление срока службы оборудования и сокращение затрат на техническое обслуживание
Частотно-регулируемый привод (ЧРП) обеспечивает лучшую защиту двигателя от таких проблем, как электрическая перегрузка, защита фаз, пониженное и повышенное напряжение и т. д., благодаря оптимизированному управлению частотой и напряжением двигателя. Использование ЧРП для запуска нагрузки защищает двигатель или приводимую нагрузку от «мгновенного толчка» при пуске через сеть. Плавный пуск исключает значительный износ ремней, шестерен и подшипников. Дополнительным преимуществом является снижение или полное устранение гидроударов благодаря плавным циклам ускорения и замедления. Это может продлить срок службы оборудования и минимизировать время простоя, связанное с техническим обслуживанием.
Недостатки частотно-регулируемого привода
- Первоначальная стоимость ЧРП обычно выше, чем у других устройств регулирования скорости.
- Пользовательский интерфейс частотно-регулируемого привода по-прежнему сложнее, чем у перекрестного пускателя.
- Индуцированные гармоники: преобразователь частоты — это нелинейная нагрузка, которая индуцирует гармоники в линии электропередачи. Для преобразователей частоты, особенно для приводов высокой мощности, требуются фильтры гармоник на линиях электропередачи, чтобы эти искажения не передавались на потенциально чувствительное электрооборудование.
Применение частотно-регулируемого привода
Фактически, нет ни одной области применения, для которой двигатель переменного тока не подходил бы для работы с частотно-регулируемым приводом. Если частотно-регулируемый привод обеспечивает множество преимуществ для конкретного применения и его стоимость разумна, то применение частотно-регулируемого привода приемлемо.
Использование частотно-регулируемых приводов в вентиляторах и насосах систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха позволяет экономить электроэнергию и затраты на нее, а в промышленных применениях — улучшать крутящий момент и скорость двигателя, а также улучшать его защиту.
