В современном мире мы часто не замечаем и не задумываемся, какие технологии скрыты от нас, но в то же время значительно улучшают нашу жизнь. Одно из таких электронных новшеств, которое стало распространенным в последние годы, — преобразователи частоты для электрических асинхронных двигателей. В своей новой статье блогер Александр Ярошенко рассказывает, как благодаря этим устройствам многие вещи в нашей жизни стали совершеннее, надежнее, удобнее.
Стоит только перечислить те места, где сейчас применяются преобразователи частоты, чтобы понять, насколько это важное устройство:
- Лифты
- Эскалаторы
- Системы вентиляции
- Системы водоснабжения
- Системы транспортировки объектов
- Электромобили и разнообразные электронные «каталки»
В промышленном оборудовании без преобразователей частоты не обойтись, там они на каждом шагу. А в связи с бурным развитием электроники последние 10–15 лет цена на такие устройства упала до вполне разумного уровня, позволяя устанавливать их там, где для этого есть малейшая необходимость.
Расскажу популярно, как я понимаю, что собой представляет преобразователь частоты.
У преобразователя частоты (ПЧ) есть и другие названия, которые нужно на всякий случай знать, — инвертор и частотный преобразователь. А все мои друзья-электронщики говорят просто — «частотник». Чтобы статья была более живой и самобытной, буду использовать все эти названия, привыкайте.
Коротко о главном
Во всех перечисленных системах преобразователь частоты — это силовой электронный блок, который служит посредником между человеком (либо контроллером) и электродвигателем. При этом двигатель по-лучает от преобразователя частоты и питание, и защиту, и задание режима работы.
Если двигателем должен управлять человек, то он нажимает на кнопки или крутит ручки, подавая сиг-налы преобразователю. А он уже выдает питающее напряжение на двигатель, либо останавливает его. В случае использования контроллера, преобразователь получает сигналы согласно заложенной программе. Программа же управляется на основании информации, получаемой от датчиков и различных устройств коммутации.
Вообще, можно сказать, что в ПЧ встроен свой локальный контроллер, который программируется на конкретное применение. В некоторых старых моделях можно было менять 15–20 параметров, а сейчас нор-мой считается более сотни параметров, которые можно (если нужно) задавать.
Недавно имел дело с преобразователем частоты Lenze 9400, у которого для программирования доступны более 1000 параметров. А для его работы на валу двигателя закреплены энкодер и резольвер (если знаешь, что это такое — дай пять!), а в качестве периферии используются несколько выносных модулей ввода-вывода.
Благодаря использованию ПЧ двигателем можно крутить-вертеть во всевозможных комбинациях. Так, как и не снилось электрикам прошлого века, когда кроме реверсивного пускателя и схемы «звезда-треугольник» других способов расширенного управления асинхронным двигателем не было.
Входы-выходы
Все провода, которые подключаются к частотнику, можно разбить на две принципиально разных части — силовую и слаботочную.
Силовая часть в основном — это три фазы на входе (380 В и 50 Гц) и три фазы на выходе. Вся фишка преобразователя частоты заключена в его названии — он преобразовывает напряжение 380 В и частоту 50 Гц в значения, нужные для желаемой работы двигателя. Напряжение на силовых выходах обычно может ме-няться от нуля до максимума (380 В), а частота — от 0 до 400 Гц.
Слаботочная часть это, прежде всего, входы для сигналов пуска/остановки и реверса двигателя. Так-же во всех современных ПЧ маст-хэв — более десятка многофункциональных входов, которые можно запрограммировать на обилие режимов и вариантов работы двигателя.
На слаботочные выходы инвертор выдает информацию, которой хочет поделиться с миром, — о скорости двигателя, о том, как он себя чувствует (не заболел ли?), о достижении нужных значений или выходе за их пределы.
Благодаря использованию ПЧ двигателем можно крутить-вертеть во всевозможных комбинациях так, как и не снилось электрикам прошлого века.
Управление
На эту тему я уже высказался чуть выше, а теперь поподробнее.
В простейшем случае для запуска двигателя можно использовать всего один выключатель с фиксацией. Включил — двигатель закрутился, выключил — остановился. Неизбежно возникает вопрос: если так все просто, зачем тогда ставить частотник, когда можно поставить обычный контактор? В том-то вся фишка, что при этом можно управлять множеством параметров (например, скоростью), контролировать и защищать двигатель от перегрузки. А контактор — это обычный выключатель, который может лишь одно — пропустить через себя ток в нужный момент.
Случай посложнее — при необходимости можно использовать два выключателя: вперед и назад. Есть схемы с тремя кнопками без фиксации, в этом случае понадобится кнопка «Стоп».
Можно вообще не использовать внешние кнопки и провода — в большинстве преобразователей есть панель управления, на которой есть все необходимые органы управления.
Вместо кнопок можно использовать контакты реле, частотнику все равно, лишь бы только в нужное время на нужный вход через контакты поступало нужное напряжение. А реле может управляться любым устройством, вплоть до контроллера. В большинстве случаев и реле не нужно — можно использовать транзистор-ные выходы контроллера или датчика.
Теперь поговорим о скорости управления частотой вращения двигателя. Это можно делать двумя способами — дискретным и аналоговым. Дискретное управление скоростью — это управление посредством кнопок, внешних или от панели управления.
Для аналогового управления в каждом ПЧ имеется специальный вход напряжения (или тока). На этот вход подается постоянное напряжение, пропорциональное нужной скорости. Напряжение можно получать либо с потенциометра (это такая крутилка, есть, например, в настольных колонках), либо опять же с контроллера.
Вся фишка в том, что можно управлять множеством параметров, контролировать и защищать двигатель от перегрузки.
Разгон и торможение
Пожалуй, по значимости это важнейшие функции после возможности управлять скоростью двигателя. Тут все просто. Разгон позволяет плавно раскручивать механизмы без механических и электрических перегрузок. В настройках можно установить время разгона в секундах — от минимальной до максимальной выходной частоты.
Торможение — функция, обратная разгону. Тут есть небольшая тонкость. Если тормозить слишком быстро, то возникает излишек энергии, которую нужно куда-то девать. Поэтому в преобразователях используют тормозные резисторы, они преобразуют излишнюю электрическую энергию в тепловую.
Есть системы из нескольких преобразователей частоты, которые «делятся» энергией, если у них разные во времени циклы разгона-торможения.
Защита и безопасность
Преобразователь частоты настолько умен (если его правильно настроить), что он бережно следит и за своим здоровьем, и за сохранностью двигателя, за который он в ответе. Что я имею в виду?
ПЧ настраивается на конкретный двигатель, учитывая все его параметры — от номинальной частоты и мощности до сопротивления обмоток. При работе (от разгона до полной остановки) непрерывно измеряются ток и напряжение, и на основании этих данных контроллер внутри преобразователя определяет все ли в порядке.
Например, распространенная проблема — заклинивание механизма на валу двигателя. Ток через обмотки двигателя из-за этого повышается, и двигатель отключается с сообщением «Перегрузка». В результате ПЧ спасает от поломки, перегрева, и пожара и себя, и двигатель.
Что касается безопасности, в последних моделях инверторов выполняется новое повышенное требование — имеется отдельный вход аварийной остановки, который по сигналу от контроллера безопасности полностью обесточивает двигатель. Это нужно в аварийных ситуациях, когда есть угроза здоровью людей или поломки оборудования. Как правило, система аварийной остановки приводится в действие красной кнопкой типа «грибок», которая по новым правилам должна быть на любом оборудовании, где есть движущиеся механизмы. Видели такую на эскалаторе в торговом центре?
Преобразователь частоты спасает от поломки, перегрева и пожара и себя, и двигатель.
Финальный инструктаж
Все перечисленные функции существуют не сами по себе (хотя в продвинутых частотниках есть режим автоматической настройки). Нужно запрограммировать режим запуска, времена разгона/торможения, защиты и многое другое. Ведь каким бы ни было умным это замечательное устройство, ему нужно дать понять, чего мы от него хотим. Это делается несколькими нажатиями на клавиши панели управления и занимает у знающего человека несколько минут.
Надеюсь, что моя статья была интересна тем, кто встречается в своей жизни с электрическими двигателями. Но все же скажу вещь, которая может показаться банальной. Хотите подключить и настроить инвертор самостоятельно — изучайте документацию. И все будет вертеться по вашему велению!