VFD (частотний привод): визначення, принцип роботи та застосування

Частотно-регульований привод, або VFD, є електронним пристроєм, який використовується для керування швидкістю та крутним моментом двигуна змінного струму. Він змінює частоту та напругу, що подається на двигун, щоб двигун міг працювати відповідно до фактичних вимог машини.

У багатьох промислових системах двигуни не повинні постійно працювати на повній швидкості. Насосам може знадобитися підтримувати різну швидкість потоку, вентилятори можуть реагувати на зміну попиту на повітря, а конвеєри можуть потребувати контрольованого прискорення. ЧРП дозволяє двигуну узгоджувати свою потужність з процесом замість того, щоб працювати на одній фіксованій швидкості.

IFIND забезпечує Рішення VFD для насосів, вентиляторів, машин, ліфтів, текстильного обладнання, систем друку та інших промислових застосувань.

Що таке VFD?

VFD означає частотно-регульований привод. Його також зазвичай називають приводом змінного струму, приводом із регульованою частотою, приводом із змінною швидкістю або частотним інвертором.

Ці терміни зазвичай стосуються обладнання, яке змінює частоту електричної енергії, що подається на двигун змінного струму. Оскільки швидкість двигуна залежить від частоти живлення, зміна вихідної частоти дозволяє приводу регулювати швидкість двигуна.

Синхронну швидкість двигуна змінного струму можна оцінити за цією формулою:

Синхронна швидкість = 120 × частота ÷ кількість полюсів двигуна

Наприклад, збільшення вихідної частоти зазвичай збільшує швидкість двигуна, тоді як зменшення частоти знижує швидкість. В асинхронному двигуні фактична швидкість трохи нижча за синхронну через ковзання.

VFD також контролює інші робочі параметри, зокрема:

• Вихідна напруга

• Струм двигуна

• Прискорення і уповільнення

• Пусковий момент

• Гальмування

• Захист від перевантаження

• Моніторинг несправностей

Відповідні функції залежать від моделі VFD і вимог програми.

Як працює VFD?

Типовий VFD має чотири основні секції:

1. Вхідний випрямляч змінного струму

2. Ланка постійного струму

3. Ступінь комутації інвертора

4. Система контролю і зворотного зв'язку

Вхідний випрямляч змінного струму

VFD спочатку отримує живлення змінного струму від електричного джерела. Вхід може бути однофазним або трифазним, залежно від конструкції приводу.

Випрямляч перетворює вхідну напругу змінного струму в напругу постійного струму. У багатьох промислових ЧРП в якості випрямляча використовуються напівпровідникові діоди. У деяких розширених конструкціях використовуються контрольовані комутаційні пристрої для покращення продуктивності введення.

Ступінь випрямляча впливає на вхідний струм VFD, поведінку при пускових напругах і гармонічні характеристики.

DC Link

Потім випрямлена напруга надходить у ланцюг постійного струму. Цей розділ зазвичай включає конденсатори, а також може включати реактор постійного струму або дросель.

Конденсатори згладжують випрямлену напругу і забезпечують стабільну шину постійного струму для каскаду інвертора. Ланка постійного струму також відокремлює форму сигналу вхідної потужності від форми вихідного сигналу, дозволяючи VFD створювати новий вихід з іншою напругою та частотою.

Етап перемикання інвертора

Інверторний каскад перетворює постійну напругу назад у змінну. Він використовує високошвидкісні напівпровідникові перемикачі, такі як IGBT, для створення керованого вихідного сигналу для двигуна.

Напруга на комутаційних клемах виробляється у вигляді серії імпульсів, а не ідеальної синусоїди. Обмотки двигуна природним чином згладжують струм, дозволяючи двигуну створювати обертове магнітне поле та механічний момент.

Система контролю та зворотного зв'язку

Система керування визначає, скільки напруги, частоти та струму потребує двигун. Команда швидкості може надходити з клавіатури, аналогового сигналу, ПЛК, ПІД-контролера або промислової мережі зв’язку.

VFD постійно контролює умови роботи, такі як:

• Вихідний струм

• Напруга шини постійного струму

• Швидкість двигуна

• Температура диска

• Статус перевантаження

• Втрата фази

• Умови короткого замикання

Якщо привод виявляє небезпечний стан, він може зменшити вихід або зупинити двигун.

Що таке ШІМ у VFD?

Широтно-імпульсна модуляція, або ШІМ, є поширеним методом, який використовується для генерації вихідного сигналу зі змінною частотою VFD.

Комутаційні пристрої вмикають і вимикають шину постійного струму з високою швидкістю. Змінюючи ширину та час цих імпульсів напруги, VFD створює середню вихідну напругу, яка відповідає необхідній формі сигналу.

ШІМ дозволяє приводу контролювати частоту та напругу двигуна за допомогою компактної електронної схеми. Однак процес перемикання також може спричинити електромагнітні перешкоди, шум двигуна та додаткове навантаження на ізоляцію двигуна.

Тому несучу частоту слід вибирати відповідно до двигуна, довжини кабелю, робочого середовища та вимог застосування. Вища частота перемикання може зменшити звуковий шум, але також може збільшити втрати приводу та електромагнітні перешкоди.

Методи керування VFD

V/F Control

Керування V/F, яке також називають скалярним керуванням або керуванням вольт на герц, підтримує відповідне співвідношення між напругою та частотою.

Коли вихідна частота знижується, напруга відповідно зменшується. Це допомагає підтримувати належний магнітний потік у двигуні.

Керування V/F є відносно простим і часто використовується для:

• вболівальники

• Насоси відцентрові

• Основні конвеєри

• Машини загального призначення

Це підходить, коли застосування не вимагає високоточної швидкості або крутного моменту.

Безсенсорне векторне керування

Безсенсорне векторне керування оцінює потік і крутний момент двигуна без використання фізичного кодера.

У порівнянні з основним керуванням V/F, він може забезпечити:

• Кращий крутний момент на низьких обертах

• Швидша відповідь

• Покращене регулювання навантаження

• Більш стабільна робота двигуна

Точні дані паспортної таблички двигуна важливі для безсенсорного векторного керування. Деякі приводи також використовують процес автоматичного налаштування для оцінки опору та індуктивності двигуна.

Векторне керування замкнутим контуром

Замкнуте векторне керування використовує зворотний зв’язок від кодера або іншого датчика швидкості. VFD порівнює задану швидкість з фактичною швидкістю двигуна та відповідно регулює вихід.

Цей метод підходить для програм, які потребують:

• Точне регулювання швидкості

• Високий пусковий момент

• Точна зупинка

• Стабільна низькошвидкісна робота

• Часта зміна навантаження або напрямку

Типові приклади включають ліфти, крани, намотувальні машини, верстати та високоефективне друкарське обладнання.

Щоб отримати додаткові відомості про різницю між V/F керуванням і векторним керуванням, див Керівництво по векторному інвертору V/F.

Основні переваги використання VFD

Регульована швидкість двигуна

ЧРП дозволяє двигуну працювати зі швидкістю, необхідною для процесу. Це може зменшити потребу в механічному дроселі, системах обходу, перемиканні передач або інших методах контролю швидкості.

Контрольований запуск і зупинка

VFD може поступово збільшувати частоту двигуна під час запуску. Це зменшує пусковий струм і механічні удари порівняно з прямим запуском від мережі.

Під час зупинки привод може використовувати запрограмований темп уповільнення, гальмування постійним струмом або гальмівний резистор, залежно від навантаження та застосування.

Енергозбереження

VFD можуть зменшити споживання енергії, коли двигун не повинен працювати на повній швидкості. Це особливо стосується навантажень зі змінним крутним моментом, таких як відцентрові насоси та вентилятори.

Однак економія енергії не відбувається автоматично. Результат залежить від годин роботи, профілю навантаження, ефективності двигуна, втрат приводу та необхідної продуктивності процесу. Міністерство енергетики США надає додаткові вказівки щодо ефективність приводу з регульованою швидкістю при частковому навантаженні.

Зменшена механічна напруга

Контрольоване прискорення та уповільнення може зменшити стрес на:

• Муфти

• Ремені

• Коробки передач

• Вали

• Клапани

• Насосні системи

У водопровідних системах поступове прискорення також може допомогти обмежити різкі зміни тиску та гідроудари.

Захист двигуна

ЧРП може контролювати струм, перевантаження, температуру, втрату фази та інші умови. Це дає системі керування можливість зупинити двигун або подати сигнал про несправність, коли робочі умови стають небезпечними.

Загальні програми VFD

Насоси та водопровідні системи

ЧРП широко використовуються для водопостачання, зрошення, циркуляції, очищення стічних вод і технологічних насосів.

Привід може регулювати швидкість насоса для підтримки необхідного тиску або витрати. Перш ніж вибрати VFD, інженери повинні перевірити криву насоса, загальний напір, струм двигуна, мінімальну робочу швидкість і ризик сухого ходу.

Вентилятори та системи ОВК

Вентилятори часто працюють при мінливих вимогах до потоку повітря. VFD може регулювати швидкість вентилятора відповідно до температури, тиску або потреби у вентиляції.

Загальні застосування включають установки обробки повітря, витяжні вентилятори, градирні та промислове вентиляційне обладнання.

Конвеєри та транспортування матеріалів

Для конвеєрів може знадобитися контрольований запуск, регульована швидкість виробництва або синхронізація з іншою машиною.

VFD може допомогти зменшити удари стрічки та підтримувати більш плавний рух матеріалу. Для важких конвеєрів вибір повинен базуватися на вимогах до пускового крутного моменту та перевантаження, а не лише на потужності двигуна.

Верстати

Для верстатів може знадобитися широкий діапазон швидкостей, високий крутний момент на низьких швидкостях і точне регулювання швидкості.

Векторне керування або керування замкнутим контуром може бути більш придатним, ніж базове керування V/F, коли відгук шпинделя та продуктивність різання важливі.

Текстильне та поліграфічне обладнання

Текстильним і друкарським машинам часто потрібна стабільна швидкість, плавне прискорення, контроль натягу та синхронізація між різними секціями.

Частотно-частотні приводи можуть працювати з ПЛК та іншими приводами для координації роликів, живильників, моталок і транспортних механізмів.

Ліфти та крани

Застосування ліфтів і кранів може потребувати високого пускового моменту, точної зупинки, контрольованого гальмування та частої зміни напрямку навантаження.

Ці системи вимагають ретельної координації між VFD, двигуном, енкодером, механічним гальмом, ланцюгом безпеки та аварійною операційною системою.

Як вибрати VFD

Вибір VFD повинен враховувати повну систему навантаження двигуна, а не лише потужність двигуна.

Дані двигуна

Наступна інформація повинна бути підтверджена табличкою двигуна:

• Номінальна потужність

• Номінальна напруга

• Номінальний струм

• Номінальна частота

• Номінальна швидкість

• Моторна фаза

• Спосіб підключення

• Клас ізоляції

• Спосіб охолодження

Номінальний струм особливо важливий, оскільки двигуни з однаковою потужністю можуть мати різні вимоги до струму.

Тип навантаження

Визначте, чи є навантаження:

• Змінний крутний момент

• Постійний крутний момент

• Важкий режим або високе перевантаження

Вентилятори та відцентрові насоси зазвичай є навантаженнями зі змінним моментом. Конвеєри, змішувачі, екструдери, компресори та підйомне обладнання можуть вимагати постійного крутного моменту або важкої роботи.

Вимоги до швидкості та крутного моменту

Перевірте необхідну мінімальну та максимальну швидкість, пусковий момент, час прискорення, час уповільнення та тривалість перевантаження.

Привід, придатний для нормальної роботи, може бути непридатним для частих запусків, раптових змін навантаження або високоінерційного обладнання.

Вимоги до гальмування

Високоінерційні навантаження можуть повертати енергію VFD під час уповільнення. Якщо ця енергія викликає підвищення напруги на шині постійного струму, системі може знадобитися гальмівний резистор, блок гальмування або рекуперативний привід.

Операційне середовище

Слід враховувати температуру, вологість, пил, корозійні гази, вібрацію, висоту над рівнем моря та вимоги до корпусу.

Необхідний рівень захисту може бути різним для чистої електричної шафи та запиленої машинної.

VFD проти пристрою плавного пуску

І VFD, і пристрій плавного пуску можуть зменшити пускове навантаження, але вони виконують різні функції.

Якщо процес потребує безперервного регулювання швидкості, зазвичай більше підходить VFD. Якщо двигун потребує лише зниженого пускового струму, а потім працює на повній швидкості, може бути достатньо пристрою плавного пуску.

Базове встановлення та введення в експлуатацію

Правильна установка та введення в експлуатацію є важливими для надійної роботи VFD.

Важливі моменти:

• Точно введіть дані паспортної таблички двигуна.

• Використовуйте відповідне вхідне захисне та від’єднувальне обладнання.

• Правильно заземліть привод, двигун і екран кабелю.

• Тримайте кабелі двигуна окремо від кабелів керування та зв’язку.

• Перевірте допустиму довжину кабелю двигуна.

• Забезпечте достатню вентиляцію навколо VFD.

• Правильно встановіть мінімальну і максимальну частоту.

• Підтвердьте налаштування прискорення, уповільнення, поточного обмеження та зупинки.

• Перед введенням в експлуатацію при повному навантаженні перевірте напрямок руху двигуна та низьку швидкість.

Якщо використовується векторне керування, може знадобитися процедура автоналаштування. Обраний метод автоналаштування має відповідати механічному стану машини.

Часті запитання

Що означає VFD?

VFD означає частотно-регульований привод. Це електронний пристрій, який контролює частоту та напругу, що подається на двигун змінного струму.

ЧРП – це те саме, що перетворювач частоти?

У промисловому управлінні двигуном для опису подібного обладнання часто використовуються VFD, частотний інвертор, привод змінного струму та перетворювач частоти.

Важливими факторами є напруга приводу, сила струму, спосіб керування, сумісність двигуна та номінальне значення.

Чи може VFD керувати однофазним двигуном?

Більшість стандартних частотно-частотних приводів розроблені для трифазних асинхронних двигунів або сумісних двигунів з постійними магнітами.

Деякі спеціалізовані моделі приймають однофазний вхід і забезпечують трифазний вихід. Однак стандартний VFD не слід підключати до однофазного двигуна з конденсаторним запуском, якщо виробник не схвалить конфігурацію.

Чи завжди VFD зменшує споживання енергії?

Ні. Енергозбереження залежить від профілю навантаження та умов експлуатації.

Найбільша економія зазвичай доступна, коли насос або вентилятор можуть працювати на низькій швидкості протягом тривалого часу. Якщо двигун має постійно працювати на повній швидкості, економія енергії може бути обмеженою.

Як вибрати правильний розмір VFD?

Почніть з номінального струму, напруги, фази, потужності, швидкості та частоти двигуна.

Потім оцініть тип навантаження, пусковий момент, вимоги до перевантаження, енергію гальмування, робоче середовище та необхідний метод керування. Привід слід вибирати відповідно до фактичного завдання, а не лише потужності двигуна.

Чи може VFD запускати двигун вище його номінальної частоти?

Це можливо, але спочатку необхідно перевірити механічне обмеження швидкості двигуна, охолодження, підшипники, ізоляцію, момент навантаження та вихідну напругу приводу.

Вище базової частоти двигун може працювати зі зниженим доступним крутним моментом. Необхідно завжди дотримуватися обмежень виробника двигуна та обладнання.

У чому різниця між VFD і VSD?

VSD означає привод із змінною швидкістю, тоді як VFD означає привод із змінною частотою.

VSD — це ширший термін, який може включати різні технології керування швидкістю двигуна. У багатьох промислових застосуваннях VSD є VFD, тому ці терміни часто використовуються як синоніми.

Висновок

VFD перетворює електричну потужність фіксованої частоти в вихідну потужність з регульованою частотою для керування двигунами змінного струму. Його випрямляч, ланка постійного струму, інверторний каскад і система керування працюють разом, щоб регулювати швидкість двигуна, крутний момент, прискорення, гальмування та захист.

Правильний VFD слід вибирати відповідно до двигуна, типу навантаження, діапазону швидкості, вимог до перевантаження, потреб у гальмуванні та середовища встановлення.

При правильному виборі та введенні в експлуатацію VFD може покращити керування процесом, зменшити механічне навантаження та знизити споживання енергії у відповідних програмах із змінною швидкістю.

Потрібна допомога у виборі VFD?

Поділіться з командою IFIND своєю потужністю двигуна, типом навантаження, діапазоном швидкості та умовами експлуатації. Ми можемо допомогти оцінити відповідний метод керування VFD та конфігурацію для вашої програми.

Обговоріть свою заявку VFD