ЧРП (частотно-регулируемый привод): определение, принцип работы и применение

Частотно-регулируемый привод, или VFD, представляет собой электронное устройство, используемое для управления скоростью и крутящим моментом двигателя переменного тока. Он изменяет частоту и напряжение, подаваемые на двигатель, чтобы двигатель мог работать в соответствии с фактическими требованиями машины.

Во многих промышленных системах двигателям не обязательно постоянно работать на полной скорости. Насосам может потребоваться поддерживать разные скорости потока, вентиляторы могут реагировать на изменение потребности в воздухе, а конвейерам может потребоваться контролируемое ускорение. ЧРП позволяет двигателю согласовывать свою мощность с процессом вместо того, чтобы работать на одной фиксированной скорости.

ИФИНД предоставляет Решения VFD для насосов, вентиляторов, машин, лифтов, текстильного оборудования, систем печати и других промышленных применений.

Что такое VFD?

VFD означает частотно-регулируемый привод. Его также часто называют приводом переменного тока, преобразователем частоты, приводом с регулируемой скоростью или преобразователем частоты.

Эти термины обычно относятся к оборудованию, которое изменяет частоту электрической энергии, подаваемой на двигатель переменного тока. Поскольку скорость двигателя зависит от частоты питания, изменение выходной частоты позволяет приводу регулировать скорость двигателя.

Синхронную скорость двигателя переменного тока можно оценить по этой формуле:

Синхронная скорость = 120 × частота ÷ количество полюсов двигателя.

Например, увеличение выходной частоты обычно увеличивает скорость двигателя, а уменьшение частоты снижает скорость. В асинхронном двигателе фактическая скорость немного ниже синхронной из-за скольжения.

VFD также контролирует другие рабочие параметры, в том числе:

• Выходное напряжение

• Ток двигателя

• Ускорение и замедление

• Пусковой крутящий момент

• Торможение

• Защита от перегрузки

• Мониторинг неисправностей

Соответствующие функции зависят от модели ЧРП и требований приложения.

Как работает VFD?

Типичный VFD имеет четыре основных раздела:

1. Входной выпрямитель переменного тока

2. Звено постоянного тока

3. Стадия переключения инвертора

4. Система управления и обратной связи

Входной выпрямитель переменного тока

Частотно-регулируемый привод сначала получает питание переменного тока от источника электропитания. Вход может быть однофазным или трехфазным, в зависимости от конструкции привода.

Выпрямитель преобразует входящее переменное напряжение в постоянное напряжение. Во многих промышленных ЧРП в выпрямителе используются полупроводниковые диоды. В некоторых усовершенствованных конструкциях используются устройства управляемого переключения для улучшения характеристик ввода.

Каскад выпрямителя влияет на входной ток ЧРП, пусковые характеристики и характеристики гармоник.

ссылка постоянного тока

Затем выпрямленное напряжение поступает в звено постоянного тока. В этот раздел обычно входят конденсаторы, а также может быть реактор постоянного тока или дроссель.

Конденсаторы сглаживают выпрямленное напряжение и обеспечивают стабильную шину постоянного тока для инверторного каскада. Звено постоянного тока также отделяет форму сигнала входной мощности от формы выходного сигнала, позволяя ЧРП создавать новый выходной сигнал с другим напряжением и частотой.

Стадия переключения инвертора

Инверторный каскад преобразует напряжение постоянного тока обратно в мощность переменного тока. Он использует высокоскоростные полупроводниковые переключатели, такие как IGBT, для создания управляемого выходного сигнала для двигателя.

Напряжение на переключающих клеммах создается в виде серии импульсов, а не идеальной синусоидальной волны. Обмотки двигателя естественным образом сглаживают ток, позволяя двигателю создавать вращающееся магнитное поле и механический крутящий момент.

Система управления и обратной связи

Система управления определяет, какое напряжение, частота и ток необходимы двигателю. Команда скорости может поступать с клавиатуры, аналогового сигнала, ПЛК, ПИД-регулятора или промышленной сети связи.

VFD постоянно контролирует рабочие условия, такие как:

• Выходной ток

• Напряжение шины постоянного тока

• Скорость двигателя

• Температура привода

• Статус перегрузки

• Потеря фазы

• Условия короткого замыкания

Если привод обнаруживает небезопасное состояние, он может снизить выходную мощность или остановить двигатель.

Что такое ШИМ в VFD?

Широтно-импульсная модуляция, или ШИМ, — это распространенный метод, используемый для генерации выходного сигнала переменной частоты ЧРП.

Коммутационные устройства включают и выключают шину постоянного тока с высокой скоростью. Изменяя ширину и время этих импульсов напряжения, ЧРП создает среднее выходное напряжение, соответствующее требуемой форме сигнала.

ШИМ позволяет приводу управлять частотой и напряжением двигателя с помощью компактной электронной схемы. Однако процесс переключения может также создавать электромагнитные помехи, шум двигателя и дополнительную нагрузку на изоляцию двигателя.

Поэтому несущую частоту следует выбирать в соответствии с двигателем, длиной кабеля, условиями эксплуатации и требованиями применения. Более высокая частота переключения может снизить звуковой шум, но также может увеличить потери в приводе и электромагнитные помехи.

Методы управления ЧРП

Управление напряжением/частотой

Управление напряжением/частотой, также называемое скалярным управлением или управлением напряжением на герц, поддерживает подходящее соотношение между напряжением и частотой.

Когда выходная частота снижается, напряжение соответственно снижается. Это помогает поддерживать соответствующий магнитный поток в двигателе.

Управление V/F относительно простое и часто используется для:

• Фанаты

• Центробежные насосы

• Основные конвейеры

• Машины общего назначения

Он подходит, когда приложение не требует очень точной реакции на скорость или крутящий момент.

Бездатчиковое векторное управление

Бездатчиковое векторное управление оценивает поток и крутящий момент двигателя без использования физического энкодера.

По сравнению с базовым управлением V/F, оно может обеспечить:

• Лучший крутящий момент на низких скоростях

• Более быстрый ответ

• Улучшенное регулирование нагрузки

• Более стабильная работа двигателя

Точные данные паспортной таблички двигателя важны для бездатчикового векторного управления. Некоторые приводы также используют процесс автонастройки для оценки сопротивления и индуктивности двигателя.

Векторное управление с обратной связью

Векторное управление с обратной связью использует обратную связь от энкодера или другого датчика скорости. ЧРП сравнивает заданную скорость с фактической скоростью двигателя и соответствующим образом корректирует выходную мощность.

Этот метод подходит для приложений, требующих:

• Точная регулировка скорости

• Высокий пусковой момент

• Точная остановка

• Стабильная работа на низких скоростях

• Частые изменения нагрузки или направления

Типичные примеры включают лифты, краны, намоточные машины, станки и высокопроизводительное печатное оборудование.

Дополнительную информацию о разнице между управлением V/F и векторным управлением см. Руководство по векторному инвертору V/F.

Основные преимущества использования VFD

Регулируемая скорость двигателя

ЧРП позволяет двигателю работать на скорости, необходимой для процесса. Это может уменьшить необходимость в механическом дросселировании, системах обхода, переключении передач или других методах контроля скорости.

Контролируемый запуск и остановка

Частотно-регулируемый привод может постепенно увеличивать частоту двигателя во время запуска. Это снижает пусковой ток и механические удары по сравнению с прямым пуском.

Во время остановки привод может использовать запрограммированный темп замедления, торможение постоянным током или тормозной резистор, в зависимости от нагрузки и применения.

Экономия энергии

ЧРП могут снизить потребление энергии, когда двигателю не нужно работать на полной скорости. Это особенно актуально для нагрузок с переменным крутящим моментом, таких как центробежные насосы и вентиляторы.

Однако экономия энергии не происходит автоматически. Результат зависит от часов работы, профиля нагрузки, КПД двигателя, потерь в приводе и требуемой производительности процесса. Министерство энергетики США предоставляет дополнительные рекомендации по КПД привода с регулируемой скоростью при частичной нагрузке.

Снижение механического напряжения

Контролируемое ускорение и замедление могут снизить нагрузку на:

• Муфты

• Ремни

• Редукторы

• Валы

• Клапаны

• Насосные системы

В водных системах постепенное ускорение также может помочь ограничить резкие изменения давления и гидравлические удары.

Защита двигателя

ЧРП может контролировать ток, перегрузку, температуру, потерю фазы и другие условия. Это дает системе управления возможность остановить двигатель или подать сигнал о неисправности, когда условия эксплуатации становятся небезопасными.

Распространенные приложения VFD

Насосы и водяные системы

Частотно-регулируемые приводы широко используются в системах водоснабжения, ирригации, циркуляции, очистки сточных вод и технологической перекачки.

Привод может регулировать скорость насоса для поддержания необходимого давления или расхода. Прежде чем выбирать ЧРП, инженеры должны проверить характеристику насоса, общий напор, ток двигателя, минимальную рабочую скорость и риск сухого хода.

Вентиляторы и системы HVAC

Вентиляторы часто работают в условиях меняющихся требований к воздушному потоку. VFD может регулировать скорость вентилятора в зависимости от температуры, давления или потребности в вентиляции.

Общие области применения включают вентиляционные установки, вытяжные вентиляторы, градирни и промышленное вентиляционное оборудование.

Конвейеры и погрузочно-разгрузочные работы

Конвейерам может потребоваться контролируемый запуск, регулируемая скорость производства или синхронизация с другой машиной.

VFD может помочь уменьшить удары ленты и обеспечить более плавное движение материала. Для тяжелых конвейеров выбор должен основываться на пусковом крутящем моменте и требованиях к перегрузке, а не только на мощности двигателя.

Станки

Станкам может потребоваться широкий диапазон скоростей, высокий крутящий момент на низких скоростях и точное регулирование скорости.

Векторное управление или управление с обратной связью могут оказаться более подходящими, чем базовое управление V/F, когда важны реакция шпинделя и производительность резания.

Текстильное и полиграфическое оборудование

Текстильным и печатным машинам часто требуется стабильная скорость, плавное ускорение, контроль натяжения и синхронизация между различными секциями.

ЧРП могут работать с ПЛК и другими приводами для координации роликов, питателей, намоточных устройств и транспортных механизмов.

Лифты и краны

Применение в лифтах и ​​кранах может потребовать высокого пускового крутящего момента, точной остановки, контролируемого торможения и частого изменения направления нагрузки.

Эти системы требуют тщательной координации между ЧРП, двигателем, энкодером, механическим тормозом, схемой безопасности и аварийной операционной системой.

Как выбрать VFD

При выборе частотно-регулируемого привода следует учитывать всю систему нагрузки двигателя, а не только мощность двигателя.

Данные двигателя

Следующая информация должна быть подтверждена на паспортной табличке двигателя:

• Номинальная мощность

• Номинальное напряжение

• Номинальный ток

• Номинальная частота

• Номинальная скорость

• Фаза двигателя

• Способ подключения

• Класс изоляции

• Метод охлаждения

Номинальный ток особенно важен, поскольку двигатели одинаковой мощности могут иметь разные требования к току.

Тип нагрузки

Определите, является ли нагрузка:

• Переменный крутящий момент

• Постоянный крутящий момент

• Тяжелый режим работы или высокая перегрузка

Вентиляторы и центробежные насосы обычно представляют собой нагрузки с переменным крутящим моментом. Конвейеры, смесители, экструдеры, компрессоры и подъемное оборудование могут требовать работы с постоянным крутящим моментом или в тяжелых условиях.

Требования к скорости и крутящему моменту

Проверьте требуемую минимальную и максимальную скорость, пусковой момент, время разгона, время торможения и продолжительность перегрузки.

Привод, подходящий для нормальной работы, может не подходить для частых запусков, резких изменений нагрузки или работы высокоинерционного оборудования.

Требования к торможению

Высокоинерционные нагрузки могут возвращать энергию в ЧРП во время замедления. Если эта энергия вызывает повышение напряжения на шине постоянного тока, системе может потребоваться тормозной резистор, тормозной блок или рекуперативный привод.

Операционная среда

Необходимо учитывать температуру, влажность, пыль, агрессивные газы, вибрацию, высоту над уровнем моря и требования к корпусу.

Требуемый уровень защиты может быть разным для чистого электрошкафа и пыльного машинного помещения.

VFD против устройства плавного пуска

ЧРП и устройство плавного пуска могут снизить пусковое напряжение, но они выполняют разные функции.

Если процесс требует непрерывной регулировки скорости, обычно более подходящим является частотно-регулируемый привод. Если двигателю требуется только пониженный пусковой ток, а затем он работает на полной скорости, может быть достаточно устройства плавного пуска.

Базовая установка и ввод в эксплуатацию

Правильная установка и ввод в эксплуатацию необходимы для надежной работы ЧРП.

Важные моменты включают в себя:

• Точно введите данные паспортной таблички двигателя.

• Используйте подходящее входное защитное и разъединяющее оборудование.

• Правильно заземлите привод, двигатель и экран кабеля.

• Кабели двигателя следует хранить отдельно от кабелей управления и связи.

• Проверьте допустимую длину кабеля двигателя.

• Обеспечьте достаточную вентиляцию вокруг ЧРП.

• Правильно установите минимальную и максимальную частоту.

• Подтвердите настройки ускорения, замедления, ограничения тока и остановки.

• Перед вводом в эксплуатацию при полной нагрузке проверьте направление вращения двигателя и работу на низкой скорости.

Если используется векторное управление, может потребоваться процедура автонастройки. Выбранный метод автонастройки должен соответствовать механическому состоянию машины.

Часто задаваемые вопросы

Что означает ВФД?

VFD означает частотно-регулируемый привод. Это электронное устройство, которое контролирует частоту и напряжение, подаваемое на двигатель переменного тока.

Является ли VFD тем же самым, что и преобразователь частоты?

В управлении промышленными двигателями для описания аналогичного оборудования часто используются частотно-регулируемый привод, преобразователь частоты, привод переменного тока и преобразователь частоты.

Важными факторами являются напряжение привода, ток, метод управления, совместимость двигателя и область применения.

Может ли ЧРП управлять однофазным двигателем?

Большинство стандартных преобразователей частоты предназначены для трехфазных асинхронных двигателей или совместимых двигателей с постоянными магнитами.

Некоторые специализированные модели принимают однофазный вход и обеспечивают трехфазный выход. Однако стандартный преобразователь частоты не следует подключать к однофазному двигателю с конденсаторным пуском, если конфигурация не одобрена производителем.

Всегда ли ЧРП снижает потребление энергии?

Нет. Экономия энергии зависит от профиля нагрузки и условий эксплуатации.

Наибольшая экономия обычно достигается, когда насос или вентилятор могут работать на скорости ниже полной в течение значительных периодов времени. Если двигатель должен постоянно работать на полной скорости, преимущества энергосбережения могут быть ограничены.

Как выбрать правильный размер VFD?

Начните с номинального тока, напряжения, фазы, мощности, скорости и частоты двигателя.

Затем оцените тип нагрузки, пусковой момент, требования к перегрузке, энергию торможения, рабочую среду и требуемый метод управления. Привод следует выбирать в соответствии с фактическими задачами применения, а не только по мощности двигателя.

Может ли ЧРП запускать двигатель с частотой выше номинальной?

Это возможно, но сначала необходимо проверить механическое ограничение скорости двигателя, охлаждение, подшипники, изоляцию, момент нагрузки и выходное напряжение привода.

Выше базовой частоты двигатель может работать с пониженным крутящим моментом. Всегда следует соблюдать ограничения производителя двигателя и оборудования.

В чем разница между VFD и VSD?

VSD означает привод с регулируемой скоростью, а VFD означает привод с регулируемой частотой.

ЧП — более широкий термин, который может включать в себя различные технологии управления скоростью двигателя. Во многих промышленных приложениях преобразователь частоты является преобразователем частоты, поэтому эти термины часто используются как синонимы.

Заключение

ЧРП преобразует электрическую мощность фиксированной частоты в выходную мощность регулируемой частоты для управления двигателями переменного тока. Его выпрямитель, звено постоянного тока, инверторный каскад и система управления работают вместе, чтобы регулировать скорость двигателя, крутящий момент, ускорение, торможение и защиту.

Правильный ЧРП следует выбирать в соответствии с двигателем, типом нагрузки, диапазоном скоростей, требованиями к перегрузке, потребностями в торможении и условиями установки.

При правильном выборе и вводе в эксплуатацию ЧРП может улучшить управление процессом, снизить механическое напряжение и снизить потребление энергии в подходящих приложениях с регулируемой скоростью.

Нужна помощь в выборе VFD?

Поделитесь с командой IFIND своей мощностью двигателя, типом нагрузки, диапазоном скоростей и условиями эксплуатации. Мы можем помочь оценить подходящий метод и конфигурацию управления ЧРП для вашего применения.

Обсудите вашу заявку на VFD