Jak funguje frekvenční měnič pro elektromotor?

V různých situacích může být nutné převést frekvenci původního proudu na proud s napětím řízené frekvence. To je vyžadováno například při provozu asynchronních motorů pro změnu jejich rychlosti otáčení. Tento článek pojednává o účelu a principu činnosti frekvenčního měniče.

Co je to frekvenční měnič

Frekvenční měnič (FC) je elektrické zařízení, které převádí a plynule reguluje jednofázový nebo třífázový střídavý proud o frekvenci 50 Hz na proud stejného typu o frekvenci 1 až 800 Hz. Taková zařízení jsou široce používána pro řízení provozu různých asynchronních elektrických strojů, například pro změnu jejich rychlosti otáčení. Existují také zařízení pro použití v průmyslových sítích vysokého napětí.

Jednoduché měniče regulují frekvenci a napětí v souladu s charakteristikou U/f komplexní zařízení využívají vektorové řízení.

Frekvenční měnič je technicky složité zařízení a sestává nejen z frekvenčního měniče, ale má i ochranu proti nadproudu, přepětí a zkratu. Taková zařízení mohou mít také tlumivku pro zlepšení tvaru signálu a filtry pro snížení různých elektromagnetických interferencí. Existují elektronické měniče a zařízení elektrických strojů.

Princip činnosti frekvenčního měniče

Elektronický převodník se skládá z několika hlavních součástí: usměrňovač, filtr, mikroprocesor a invertor.

Usměrňovač má hromadu diod nebo tyristorů, které usměrňují původní proud na vstupu do převodníku. Diodové měniče se vyznačují úplnou absencí zvlnění a jsou levnými, ale zároveň spolehlivými zařízeními. Měniče na bázi tyristorů umožňují proudění proudu v obou směrech a umožňují návrat elektrické energie do sítě, když motor brzdí.

Čtěte také: Asynchronní elektromotory: zařízení, princip činnosti, vlastnosti

Filtr používá se v tyristorových zařízeních ke snížení nebo odstranění zvlnění napětí. Vyhlazování se provádí pomocí kapacitních nebo indukčně-kapacitních filtrů.

Mikroprocesor – je řídícím a analytickým prvkem převodníku. Přijímá a zpracovává signály ze snímačů, což umožňuje upravit výstupní signál z frekvenčního měniče pomocí vestavěného PID regulátoru. Také tato součást systému zaznamenává a ukládá data o událostech, registruje a chrání zařízení před přetížením, zkratem, analyzuje provozní režim a v případě nouzového provozu zařízení vypíná.

Měnič napětí a proud slouží k ovládání elektrických strojů, to znamená k plynulé regulaci frekvence proudu. Takové zařízení produkuje „čistý sinusový“ výstup, což umožňuje jeho použití v mnoha oblastech průmyslu.

Princip činnosti elektronického frekvenčního měniče (invertoru) se skládá z následujících fází činnosti:

1. Vstupní sinusový střídavý jednofázový nebo třífázový proud je usměrněn diodovým můstkem nebo tyristory;
2. Pomocí speciálních filtrů (kondenzátorů) je signál filtrován, aby se snížilo nebo odstranilo zvlnění napětí;
3. Napětí se pomocí mikroobvodu a tranzistorového můstku převádí na třífázovou vlnu s určitými parametry;
4. Na výstupu měniče jsou obdélníkové impulsy převedeny na sinusové napětí se stanovenými parametry.

Typy frekvenčních měničů

Existuje několik typů frekvencí, které jsou v současné době nejběžnější pro výrobu a použití:

Měniče elektrického stroje (elektroindukční): se používají v případech, kdy je použití elektronických frekvenčních měničů nemožné nebo nepraktické. Konstrukčně jsou takovými zařízeními asynchronní motory s vinutým rotorem, které pracují v režimu generátor-měnič.

Tato zařízení jsou převodníky se skalárním řízením. Na výstupu tohoto zařízení se vytváří napětí dané amplitudy a frekvence pro udržení určitého magnetického toku ve vinutí statoru. Používají se v případech, kdy není nutné udržovat otáčky rotoru v závislosti na zatížení (čerpadla, ventilátory a další zařízení).

Elektronické převodníky: Široce používané v jakýchkoli provozních podmínkách pro různá zařízení. Taková zařízení jsou vektorová, automaticky vypočítávají interakci magnetických polí statoru a rotoru a poskytují konstantní hodnotu rychlosti rotoru bez ohledu na zatížení.

1. Cyklokonvertory;
2. Cykloinvertory;
3. Střídač se stejnosměrným mezičlánkem:

• Frekvenční měnič zdroje proudu;
• Frekvenční měnič zdroje napětí (s amplitudovou nebo pulzně šířkovou modulací).

Podle rozsahu použití může být zařízení:

• pro zařízení s výkonem do 315 kW;
• vektorové měniče pro výkon do 500 kW;
• Zařízení odolná proti výbuchu pro použití ve výbušném a prašném prostředí;
• frekvenční měniče namontované na elektrických motorech;

Každý typ frekvenčního měniče má určité výhody a nevýhody a je použitelný pro různá zařízení, zátěže a provozní podmínky.

Ovládání frekvenčního měniče může být ruční nebo externí. Ruční ovládání se provádí z ovládacího panelu invertoru, který lze použít k nastavení rychlosti otáčení nebo k zastavení provozu. Externí řízení se provádí pomocí automatických řídicích systémů (ACS), které dokážou ovládat všechny parametry zařízení a umožňují přepínat okruh nebo provozní režim (přes invertor nebo bypass). Také externí ovládání umožňuje naprogramovat provoz převodníku v závislosti na provozních podmínkách, zatížení, čase, což umožňuje provoz v automatickém režimu.

Proč může elektromotor potřebovat frekvenční měnič?

Použití frekvenčních měničů umožňuje snížit náklady na energii, náklady na odpisy motorů a zařízení. Lze je použít pro levné motory s kotvou nakrátko, což snižuje výrobní náklady.

Mnoho elektromotorů pracuje v podmínkách častých změn provozních režimů (časté spouštění a zastavování, změna zatížení). Frekvenční měniče umožňují hladký start elektromotoru a snižují maximální rozběhový moment a zahřívání zařízení. To je důležité například u zdvihacích strojů a umožňuje snížit negativní dopad náhlých rozjezdů a také eliminovat kývání břemene a škubání při zastavování.

Pomocí invertoru můžete plynule regulovat chod ventilátorů, čerpadel a umožňuje automatizovat technologické procesy (používané v kotelnách, těžebním průmyslu, výrobě ropy a rafinaci ropy, vodárenských stanicích a dalších podnicích).

Použití frekvenčních měničů v dopravnících, dopravnících a zdvižích umožňuje zvýšit životnost jejich součástí, protože snižuje škubání, otřesy a další negativní faktory při spouštění a zastavování zařízení. Mohou plynule zvyšovat a snižovat otáčky motoru a provádět zpětný pohyb, což je důležité pro velké množství vysoce přesných průmyslových zařízení.

Výhody frekvenčních měničů:

1. Snížení nákladů na energii: snížením startovacích proudů a regulací výkonu motoru na základě zatížení;
2. Zvýšení spolehlivosti a životnosti zařízení: umožňuje prodloužit životnost a prodloužit dobu od jedné údržby k druhé;
3. Umožňuje implementovat externí ovládání a správu zařízení ze vzdálených počítačových zařízení a možnost integrace do automatizačních systémů;
4. Frekvenční měniče mohou pracovat s libovolným výkonem zátěže (od jednoho kilowattu až po desítky megawattů);
5. Přítomnost speciálních komponent ve frekvenčních měničích umožňuje chránit před přetížením, ztrátou fáze a zkraty a také zajistit bezpečný provoz a vypnutí zařízení v případě nouze.

Při pohledu na takový výčet výhod si člověk samozřejmě může položit otázku, proč je nevyužít pro všechny motory v podniku? Odpověď je zde zřejmá, bohužel, ale jde o vysoké náklady na frekvenční generátory, jejich instalaci a uvedení do provozu. Ne každý podnik si tyto náklady může dovolit.

Vlastnosti a schéma připojení frekvenčního měniče k různým typům elektromotorů

Měniče napětí od 12 do 220 voltů

Asynchronní elektromotory: zařízení, princip činnosti, vlastnosti

Schéma činnosti softstartéru, jeho účel a provedení

Přehled protokolů moderní průmyslové automatizace – Modbus, Profinet, EtherCAT atd.

Pneumatická automatizace – využití stlačeného vzduchu v automatických řídicích systémech

Asynchronní střídavý motor je elektrický stroj s otáčkami rotoru nižšími, než je rychlost otáčení magnetického pole statoru. Na jejich základě je postavena naprostá většina elektrických pohonů pro zařízení používaná v různých průmyslových odvětvích.

Motory tohoto typu se vyznačují:

• Optimální poměr hmotnost/výkon.
• Relativně nízká cena.
• Jednoduchost designu.
• Spolehlivost.
• Nízké provozní náklady.

Střídavé motory však mají své nevýhody. Jedním z nich je obtížnost ovládání otáček hřídele. Při regulaci napětí na vinutí se ztrácí výkon a krouticí moment na hřídeli. Použití elektromotorů s vinutým rotorem mírně rozšiřuje rozsah otáček a výrazně zvyšuje cenu pohonu. Použití převodovek komplikuje kinematické schéma a také zvyšuje cenu.

Změna frekvence napájecího napětí na vinutí statoru je nejslibnější metodou řízení střídavých motorů. Metoda umožňuje nepoužívat mechanismy pro regulaci otáček, nekomplikovat konstrukci rotoru a zabránit zhoršení mechanických vlastností.

K řízení střídavých pohonů se používají frekvenční měniče (FC). Podívejme se, co jsou to zařízení, jejich principy fungování, typy a výhody.

Co je to frekvenční měnič

Invertor je zařízení pro regulaci frekvence napětí střídavého proudu. Princip řízení pohonu pomocí měniče je založen na závislosti rychlosti otáčení hřídele na frekvenci napětí na vinutích. Čím vyšší, tím větší rychlost.

Jinými slovy, zařízení umožňuje měnit rychlost otáčení a točivý moment na střídavém hřídeli převodem frekvence napětí na vinutí statoru.

Standardní otáčky asynchronního elektromotoru jsou 500, 750, 1000, 1500, 3000 ot./min. Použití frekvenčních měničů umožňuje zvýšit nebo snížit úhlovou frekvenci otáčení. Interval regulace může být 1:200 nebo více, nad nebo pod jmenovitou rychlostí.

Zařízení je připojeno k síti před elektromotorem a jeho vinutí jsou napájena napětím o frekvenci vyšší nebo nižší než je napětí sítě.

Moderní frekvenční měnič je vybaven regulátorem ochrany, nastavením startu, režimů zrychlení a zpomalení, PI nebo PID regulací a implementací speciálních regulačních funkcí: detekce přetržení hnacího řemene, dynamické brzdění a další.

Měnič tedy umožňuje nejen regulovat otáčky a točivý moment na hřídeli. Zařízení poskytuje různé režimy ovládání zařízení a chrání před abnormálními a nouzovými provozními režimy.

Použití měniče výrazně rozšiřuje technické možnosti střídavého elektropohonu a umožňuje použití mnohem levnějších a jednodušších motorů.

Příkladem použití frekvenčních měničů se zařízením, které se neustále používá v každodenním životě, jsou čerpadla pro zásobování vodou a vytápění. Zařízení regulují přívod vody v závislosti na průtoku nebo teplotě, plynule spouštějí a zastavují jednotky, aby nedocházelo k vodním rázům.

Obvody frekvenčních měničů

Dvě nejběžnější konstrukce frekvenčních měničů jsou ty s přímým připojením k síti a meziobvodu.

První z nich jsou obvykle postaveny na bázi řízených nebo neřízených tyristorových spínačů. Možnosti schématu – most, zády k sobě, kříž atd.

IF obvod založený na řízených tyristorových spínačích

Každá z kláves prochází určitým segmentem sinusoidy, v důsledku toho se na výstupu převodníku vytvoří napětí blízké sinusovému tvaru. Frekvence výstupního napětí se liší od napětí sítě. Měniče s přímým připojením k elektrické síti umožňují poskytovat stabilní točivý moment při nízkých otáčkách, dobře odolávají přetížení a lze je použít i se zátěžemi s nízkým účiníkem. Kromě toho mají taková zařízení vysokou účinnost a mohou pracovat v režimu rekuperace elektřiny, když motor brzdí. Výkon přímých měničů lze zvýšit zvýšením tyristorových obvodů.

Mezi nevýhody obvodů frekvenčních měničů s galvanickým připojením k síti patří vysoká úroveň vyšších harmonických a možnost regulace otáček pouze pod jmenovitou.

Střídače se stejnosměrným meziobvodem se skládají z usměrňovače, mezikondenzátorové jednotky, střídače a řídicí jednotky.

Zařízení funguje následovně: střídavé napětí o frekvenci 50 Hz je převedeno na stejnosměrné napětí, poté odfiltrováno ze střídavé složky. Střídač s vysokorychlostními spínači převádí stejnosměrné napětí na střídavé napětí se změněnou frekvencí.

Princip činnosti střídače s meziobvodem

Obvod dvojité konverze umožňuje měnit frekvenci nad nebo pod nominální hodnotu v síti. Zařízení navíc umožňuje implementovat řízení rychlosti a točivého momentu pomocí různých algoritmů. Úroveň parazitních harmonických u střídače se stejnosměrným meziobvodem je nižší než při použití zařízení s přímou vazbou. Mezi omezení zařízení patří zvýšené ztráty při dvojité konverzi a relativně vysoká cena.

Typy frekvenčních měničů

Frekvenční měniče se rozlišují podle principu řízení, účelu (obecné průmyslové a specializované), počtu fází (pro jednofázové a třífázové elektromotory) a spouštěcích a provozních podmínek (těžké a normální). Podívejme se blíže na jednotlivé typy zařízení.

Typy frekvenčních měničů podle principu řízení

Principem skalárního řízení je udržovat konstantní poměr napětí/frekvence (U/f) v celém rozsahu otáček hřídele. Hodnota U/f určuje magnetický tok v mezeře mezi statorem a rotorem.

Řízenými parametry u této metody řízení jsou skalární veličiny napětí a frekvence. Otáčky hřídele se odhadují podle frekvence napětí na vinutí motoru. Závislost frekvence napětí motoru na čase je znázorněna na obrázku níže.

Graf frekvence napětí motoru v závislosti na čase

Skalární metoda nevyžaduje vysoký výpočetní výkon řídicího obvodu. Tato metoda se používá u pohonů založených na asynchronních motorech pracujících s konstantní zátěží. Metoda je vhodná pro skupinové řízení více elektromotorů s jedním měničem, např. na čerpací stanici.

Mezi nevýhody této metody patří omezený rozběhový moment na nízkých frekvencích, relativně malá přesnost regulace otáček při provozu pod zátěží, nemožnost regulace momentu a pomalá odezva.

Pro zvýšení přesnosti řízení rychlosti metodou skalárního řízení je do obvodu zaveden kodér. Zařízení poskytuje zpětnou vazbu o úhlové frekvenci otáčení hřídele a umožňuje vyrovnat nepřesnosti spojené s prokluzem asynchronních motorů. Obvod se snímačem rychlosti se používá poměrně zřídka, protože neodstraňuje ostatní nevýhody skalární metody.

Princip vektorového řízení je založen na řízení velikosti a fáze napětí a frekvence napájecího vinutí. Odhadují se tedy nejen skalární, ale i vektorové veličiny.

Princip vektorového řízení měniče

Metoda vektorového řízení poskytuje vysokou přesnost řízení otáček, rychlou odezvu na změny zatížení, rozšiřuje rozsah změn úhlové frekvence otáčení hřídele a snižuje ztráty vlivem ohřevu a magnetizace.

Metoda se používá u elektrických pohonů zařízení s dynamickým zatížením a vysokými požadavky na přesnost polohování. U přesných mechanismů je možné zavést do obvodu snímač otáček nebo otáček.

Mezi nevýhody této metody patří vysoký výpočetní výkon řídicího zařízení, poměrně vysoká cena a složitost.

Frekvenční měniče podle použití

Zařízení pro řízení motoru jsou také klasifikována podle použití.

Podle účelu se rozlišují:

• Obecné průmyslové převáděné frekvence. Zařízení jsou vhodná pro pohon zařízení používaných v různých průmyslových odvětvích. Parametry a provozní algoritmy se nastavují během nastavení.
• Specializované frekvenční měniče. Zařízení pohonu má sadu vestavěných funkcí. Vyrábí zařízení pro čerpadla a ventilátory, jeřáby, výtahy atd.

Frekvenční měniče podle počtu fází

Podle počtu fází se rozlišují:

• Jednofázové měniče. Zařízení slouží k ovládání 1-fázových motorů.
• Třífázové střídače. Zařízení je určeno pro 3-fázové pohony.

Kromě toho se frekvenční měniče vyznačují konstrukcí, jmenovitým napětím, proudem motoru a sadou funkcí.

Co přináší použití frekvenčního měniče?

Kromě plynulé regulace otáček a točivého momentu na hřídeli elektromotoru mají frekvenční měniče následující výhody:

• Omezte startovací proudy. Zařízení poskytují nízkonapěťové spouštění a snižují proudové rázy, ke kterým dochází při spouštění motorů.
• Šetřete energii. Invertor zabraňuje motoru pracovat v režimu nízké zátěže na plný výkon, otáčky a točivý moment na hřídeli odpovídají zatížení. Tím se výrazně snižuje spotřeba energie, úspora může být 40 % i více.
• Zvyšuje životnost a dobu generální opravy zařízení. Invertory snižují zahřívání vinutí a eliminují rázové zatížení, což zpomaluje opotřebení motoru a zařízení k němu připojeného.
• Snižte hluk. Elektromotor připojený k měniči je mnohem tišší díky optimálnímu napětí na vinutích.
• Umožňuje vyhnout se mechanickým zařízením. Invertory umožňují výměnu převodovek, třecích brzd a dalšího vybavení.
• Poskytuje hladký rozběh a zrychlení. Režim startu a zrychlení lze nastavit v nastavení převodníku.
• Umožňuje výměnu dražších stejnosměrných motorů. Pohony na bázi invertoru řídí otáčky a točivý moment asynchronních a synchronních motorů, což umožňuje eliminovat potřebu stejnosměrných elektrických strojů.

Řízení spouštění motoru pomocí měniče

Konvertované frekvence také poskytují ochranu proti přetížení, ztrátě fáze, zkratu, zaseknutí hřídele, jiným nehodám a abnormálním podmínkám. Moderní měniče jsou vybaveny regulátory, které implementují funkce PI nebo PID regulátoru, dynamické brzdění, snímání, přeskakování rezonančních otáček atd.

Průmyslové frekvenční měniče lze integrovat do automatizovaných systémů řízení procesů. Zařízení podporují komunikační rozhraní Profibus, Modbus RTU/TCP a další protokoly pro výměnu dat. Konfigurace a ovládání lze provádět ze vzdáleného zařízení a je také možný přenos dat na ovládací panel nebo PC.

Oblasti použití střídače

Frekvenční měniče se používají v různých průmyslových odvětvích a strojírenských systémech. Zařízení se používají v elektrických pohonech zařízení:

• Větrání, zásobování vodou, zavlažovací systémy: čerpadla, ventilátory, pohony ventilů atd.
• Těžební průmysl: drtiče, drtiče, kulové mlýny, pásové dopravníky.
• Potravinářský průmysl: separátory, technologické krmné systémy, dopravníky, dávkovače, mlýnky na obilí atd.
• Petrochemický průmysl: zásobovací systémy, výměníky tepla, kompresory atd.
• Výroba celulózy a papíru: papírenské stroje, systémy pro úpravu sítí a plsti, plstěné válce, dmychadla pro sušičky atd.
• Obrábění kovů a dřeva: pásové broušení, soustružení, frézování, servírování, tahací stroje atd.

Možnosti schématu ovládání: jeden invertor ovládá několik čerpadel a každý invertor ovládá samostatné čerpadlo

Kromě toho se frekvenční měniče používají v pohonech jeřábů, výtahů, jiných zdvihacích mechanismů, zkušebních strojů a dalších zařízení pro nejrůznější účely.

Závěr

Frekvenční měniče jsou tedy zařízení pro řízení rychlosti a točivého momentu střídavých motorů. Zařízení se odlišují základnou prvků, obvodem, způsobem ovládání, účelem a konstrukcí. Měnič umožňuje nahradit složitější a dražší stejnosměrné motory asynchronními a synchronními střídavými elektrickými pohony, prodlužuje životnost zařízení a mechanismů a šetří energii. Pohony s proměnnou frekvencí se používají téměř ve všech průmyslových odvětvích a inženýrských systémech budov a konstrukcí.

© Materiál je chráněn autorským právem společnosti OWEN. Bez předchozího souhlasu držitele autorských práv je zakázáno kopírovat, distribuovat nebo jinak používat informace a předměty tohoto materiálu.