Содержание
На сегодня подавляющее большинство электродвигателей (ЭД), используемых в народном хозяйстве это асинхронные электродвигатели переменного тока.
Особенность двигателей переменного тока заключается в том, что частота вращения ротора пропорциональна частоте питающей электрической сети.
У данного оборудования есть следующие особенности:
- Поскольку частота питающей электрической сети постоянна, следовательно данное оборудование работает с одной скоростью.
- Во время пуска происходит резкий бросок потребляемого тока в несколько крат от 5 до 12 раз в зависимости от модификации «беличьей клетки».
Исходя из потребностей промышленности уже с 70-х годах прошлого века начались активные разработки приводов для управления работой электродвигателя.
В результате появилось два самых распространённых устройства для управления ЭД, которые решают обозначенные особенности:
- Преобразователи частоты – устройство, которое преобразует переменный ток одной частоты в переменный ток другой частоты, в результате чего происходит изменение скорости вращения электродвигателя.
- Устройство плавного пуска – устройство, которое позволяет снизить пусковые токи при запуске ЭД, что позволяет обеспечить плавный запуск оборудования и останова.
В данной статье рассмотрим данное оборудование и дополнительную периферию, которая позволит функционально эксплуатировать автоматизированный электропривод (АЭП).
Устройство плавного пуска (УПП)
Назначение и преимущества УПП
На время старта потребляемый ток может превышать номинальный ток в семь и более раз.
К примеру, если при старте маломощных электродвигателей проблем для питающей сети не возникает, то, уже начиная от 10 кВт, старт ЭД может стать проблемой для местной электросети.
В таком случае при прямом пуске возникают следующие проблемы:
- Наблюдается провал напряжения, который может привести к сбоям другого оборудования, срабатыванию автоматических выключателей и тому подобное.
- Возникает резкое ускорение вращения ротора от нуля до номинальной скорости, что может привести к выходу из строя рабочего агрегата.
Пример возможных неисправностей при большом пусковом моменте в механизме:
- В момент пуска механизм работает с кратным увеличением момента, что приводит к ускоренному выходу из строя механических частей оборудования конвейера или вентилятора.
- Для насосов во время старта характерен гидроудар, который может привести к плохим последствиям в гидросистеме.
Для борьбы с этими явлениями используются различные способы плавного пуска электродвигателя, а именно:
- Способ переключения обмоток «звезда-треугольник» при старте двигателя.
- Применение электродвигателей с изменяемым количеством полюсов.
- Применение гидромуфт для запуска агрегата.
- Применение преобразователей частоты.
- Применение устройств плавного пуска.
У данных пяти способов есть свои плюсы и минусы.
При переключении обмоток есть свои недостатки:
- Более сложное подключение ЭД.
- Невозможность регулирования параметров запуска.
- Невозможность запуска нагрузок с большим трением покоя.
Электродвигатели с изменяемыми полюсами и гидромуфты, относятся к сложным техническим решениями с высокой стоимостью.
Исходя из этого в промышленности получили распространение ПЧ и УПП, поскольку данное оборудование является бюджетным и надежным решением для обеспечения плавного запуска агрегатов.
Следует помнить для каких агрегатов важен плавный запуск:
- Насосы.
- Конвейеры.
- Вентиляторы.
- Компрессоры.
- Подъемные установки.
Устройства плавного пуска имеют следующие преимущества:
- Простое устройство.
- Низкая стоимость оборудования.
- Обеспечивает плавный запуск и останов агрегата.
- Обеспечивает защиту для ЭД при запуске и работе.
- Энергоэффективное устройство, работающее без сбоев, при корректном подборе и правильной настройке.
Не стоит пытаться с помощью УПП регулировать скорость вращения двигателя во время работы, для этого есть преобразователь частоты.
При попытках регулировки скорости вращения с помощью устройства плавного пуска, получите:
- Низкое качество регулирования ЭД.
- Перегрев электродвигателя.
- Перегрев УПП.
В свою очередь преобразователь частоты имеет следующие отличительные особенности от устройства плавного пуска:
- Значительно дороже УПП.
- Более сложное устройство.
- Эффективно управляет скоростью и моментом на валу электродвигателя, в периоды запуска, работы и останова.
Топология УПП
Поскольку данное оборудование уже производится не одно десятилетние в промышленности, следовательно уже состоялась топология данного оборудования.
Самая основанная функция данного устройства это коммутация напряжение на электродвигателе, а именно отключать и включать ЭД.
Первый признак градации данного оборудования это по напряжению:
- 220 В – работа по двум фазам.
- 380 В – работа по трем фазам.
Коммутация по двум фазам обходится дешевле, но оно может привести к асимметрии токов при старте и невозможности работы некоторых видов защит.
По этой причине в промышленности активно используют УПП с коммутациям по трём фазам или 380 В.
Следует понимать, что происходит при работе УПП:
- В момент пуска электродвигателя, ток коммутируется тиристорами, так чтобы он нарастал по определенному закону.
- После завершения пуска тиристоры замыкаются контактором для уменьшения потерь и нагрева тиристоров.
- Такой контактор называется байпасным или обходным.
Поэтому в различных сериях оборудования данный контактор уже встроен в корпус или должен быть установлен отдельно.
Исходя из этого возникает следующая градация оборудования.
Топология оборудования по принципу работы:
- Устройства без встроенного байпаса или контактора.
- Устройства со встроенным байпасом или контактором.
Схема УПП без встроенного контактора представлена на рисунке 1:
При данной схеме УПП формирует сигнал для управления внешним контактором при работе.
Рекомендации по выбору контактора всегда приводятся в руководстве по эксплуатации.
Да у данного решения есть свои плюсы и минусы:
- Преимущества – конструкция данного устройства компактная.
- Недостатки – если в схему добавляем внешний контактор, происходит стеснение габаритов и увеличение стоимости значительное.
Поэтому более целесообразным на практике использовать оборудование во встроенным контактором.
Схема устройства плавного пуска со встроенным контактором представлена на рисунке 2:
Следует учитывать, что УПП может обеспечить следующие защиты электродвигателя:
- От перегрузки по току.
- От асимметрии фаз и других защит.
К сожалению, данное оборудование не обеспечит защиту от короткого замыкания (КЗ), особенно, когда тиристоры блокированы байпасным контактором.
Поэтому целесообразно предусматривать отдельную защита от короткого замыкания в схеме электротехнического шкафа.
Для защиты УПП применяются следующие решения:
- Применение быстродействующих предохранителей.
- Применение автоматических выключателей.
Сейчас плавкие вставки быстродействующие стоят очень дорого и сопоставимы по стоимости как устройство плавного пуска.
Поэтому следует на основании руководства по эксплуатации корректно производить подбор автоматических выключателей.
В нашей среде существует такое заблуждение:
«Что если корпус оборудования похож, то следовательно, и внутренне схемное решение будет одинаковым у устройства».
Это далеко не так, поскольку у каждого производителя есть свои отличительные особенности в УПП:
- Элементная база оборудования.
- Внутреннее схемное решение устройства.
- Управляющая программа устройства и логика его работы.
- Количество сигналов для управления и протоколы связи.
- Напряжение цепей питания оборудования 220 В или 24 В.
- По питанию цепей управления оно может быть внешним и внутренним (от 380 В внутри самого устройства запитываются цепи.
Среди отечественных самыми распространёнными стали два вида корпусов оборудования:
- Корпус УПП производителя INSTART.
- Корпус УПП производителя ESQ.
На рисунках 3 и 4 данную разницу легко заметить:
Сейчас на рынке уже достаточно производителей устройств плавного пуска и качество оборудование у всех одинаковое.
Это связано с унификацией полупроводниковой промышленности и схемных решений, которые уже производятся десятилетиями.
Дополнительные возможности УПП и отечественные бренды
Касательно дополнительных возможностей устройств плавного пуска то их можно объединить по следующим признакам:
- Наличие интерфейса Modbus.
- Наличие выхода для индикации ошибки, обычно это релейный выход.
- Наличие аналогового выхода для индикации тока двигателя, с токовым сигналом 4-20 мА.
- Входы для управления пуском и остановом, в большинстве случаев это сигналы «сухой контакт».
- Оборудование с внешним контактором имеет выход для управления внешним контактором, обычно это релейный выход.
Для систем автоматизации Modbus можно производить следующие действия с УПП:
- Управление запуском.
- Управление остановом.
- Считывать значения рабочего тока и напряжения.
- Считывать с устройства аварии и аварийные остановы.
Поэтому проблем с интеграцией в систему АСУ ТП предприятия не вызовет проблем.
При настройке плавного пуска задают основные параметры запуска и останова электродвигателя:
- Время запуска.
- Время останова.
- Ограничение по току при запуске.
- Наличие «толчка» для преодоления трения покоя.
- Параметры защиты электродвигателя и другие уставки, предусмотренные в РЭ.
Настройки вводятся в зависимости от исполнения оборудования:
- Через панель управления с помощью интерактивных меню.
- В наиболее старых и простых моделях, параметры устанавливаются с помощью переключателей и потенциометров.
В оборудовании с панелью управления можно сделать следующее:
- Выполнить ручной пуск и останов ЭД.
- Выполнить корректировку уставок устройства.
- Увидеть текущее состояние, напряжение и ток.
Панель управления зачастую выполняется съёмной, поэтому её можно перенести на дверь электрощита или переместить на пульт управления.
При выборе УПП следует обратить внимание на следующие моменты:
- Мощность электродвигателя.
- Рабочий ток электродвигателя.
- Рабочее напряжение электродвигателя.
- Наличие протокола Modbus требуется он или нет.
- Требуется оборудование со встроенным байпасом или без него.
- Параметры ЭД лучше уточнить по электротехнической табличке (шильдику).
- Ток и мощность двигателя должны быть меньше, чем допустимые параметры УПП.
- Рабочее напряжение двигателя должно соответствовать напряжению в питающей сети, и не должно превышать допустимое напряжение для устройства.
- Допускается превышение мощности УПП до 4-х раз по отношению к мощности двигателя, но при большем соотношении мощностей, может некорректно срабатывать защита двигателя.
В текущий момент времени большинство производителей предлагают вариативные решения по оборудованию.
Отечественные бренды УПП:
- ONI — оборудование с байпасом, с поддержкой Modbus.
- ESQ — оборудование с байпасом, с поддержкой Modbus.
- IDS Drive — оборудование без байпаса, с поддержкой Modbus.
- Силиум — оборудование с байпасом и без него, с поддержкой Modbus.
- INSTART — оборудование с байпасом и без него, с поддержкой Modbus.
- VT-Drive — оборудование с байпасом и без него, с поддержкой Modbus.
Производители постоянно вносят улучшения в оборудование, поэтому перед покупкой необходимо изучить руководство по эксплуатации соответствующего оборудования.
Преобразователь частоты (ПЧ)
Для чего нужен ПЧ
Как указано выше, особенность электродвигателей переменного тока заключается в том, что частота вращения ротора двигателя пропорциональна частоте питающей электрической сети.
С учётом того, что частота питающей электрической сети постоянна, двигатель переменного тока может работать только с одной скоростью.
Революцию в приводах переменного тока совершили преобразователи частоты в прошлом веке.
Развитие силовой электроники позволило удешевить и сделать данное оборудование более функциональным.
Сейчас производятся ПЧ для различных применений:
- Мощностью от 0,25 кВт до 1,5 МВт.
- Со встроенным и внешним ЭМС фильтром.
- Со встроенным тормозным модулем и без него.
- Напряжение питающей сети 380 В – трехфазные.
- Напряжение питающей сети 220 В – однофазные.
- Со свободно-программированной средой и без нее.
- С возможностью установки плат расширения и без нее.
- Наличие протоколов связи для интеграции с АСУ ТП (CAN, ProfiBus, ProfiNet, ModBus TCP).
Функциональность оборудования позволяет не только управлять скоростью вращения ротора, но и моментом ЭД.
С помощью встроенного пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора, ПЧ способен:
- Получать обратную связи от полевого КИП агрегата.
- Поддерживать заданные параметры агрегата.
- Поддерживать заданную температуру.
- Поддерживать заданное давление.
С помощью данных функций происходить логическое управление установками.
Современные преобразователи частоты способны анализировать и отправлять в АСУ ТП следующую информацию:
- Момент.
- Силу тока.
- Мощность.
- Напряжение.
- Скорость вращения электродвигателя и другие параметры
ПЧ выполняет следующие функции по отношению к электродвигателю:
- Защищает от перегрева.
- Производит ограничение скорости.
- Обеспечивает плавный пуск и останов.
Управление преобразователем производится с помощью следующих средств:
- Кнопочная панель управления с потенциометром.
- Дискретных клемм «сухой контакт».
- Панель управления с ЖК дисплеем.
- Полевые шины (протоколы связи).
- Аналоговые входы и выходы.
В промышленности используются следующие протоколы связи (полевые шины):
- CAN.
- ProfiBus.
- ProfiNet.
- ModBus TCP.
- EtherCAT и другие.
Самая распространённая полевая шина на сегодня ModBus RTU, она есть в большинстве современных частотных преобразователях.
Управление приводами происходят с помощью следующих методов:
- Ручное управление с пульта местного управления.
- Управление от АСУ ТП в автоматическом режиме.
Существую два способа управления приводом:
- Векторное.
- Скалярное.
Если сформировать для чего необходим преобразователь частоты, то он нужен для оптимального управления следующими агрегатами:
- Насосы.
- Конвейеры.
- Вентиляторы.
- Компрессоры.
- Тягодутьевые машины.
- Подъемные механизмы.
- Гидравлические системы.
- Мельницы и сепараторы.
Как видно, частотное регулирование окружает нас всюду, в простых обычных местах, таких как стиральная машина.
Топология ПЧ по применению
Как известно у каждого преобразователя частоты есть свое применение в зависимости от его модификации.
На примере линеек оборудования INSTART рассмотрим возможности применения оборудования в автоматизации электропривода.
Прежде чем определиться какое оборудование нам необходимо для системы необходимо ознакомиться со сравнительной таблицей параметров серий оборудования, таблица 1:
Перед выбором необходимого оборудования следует внимательно ознакомится с руководством по эксплуатации.
Поскольку для каждого технического решения необходимо свое оборудование.
Для простых систем, где необходимо производить управление электродвигателем целесообразно использовать серию LCI.
Данное оборудование подойдет для следующих агрегатов:
- Насосы.
- Вентиляторы.
- Подъемные механизмы (без встроенного тормоза).
- Конвейеры с подбором частотного преобразователя по тяжелому режиму.
Для наглядности функционал данного ПЧ можно оценить по схеме подключений LCI, на рисунке 5:
Согласно данной схеме следует учитывать:
- Оборудование мощностью ≤ 22 кВт имеют встроенный тормозной модуль, поэтому для этих моделей тормозной резистор подключается к клеммам (+) и PB.
- Клеммы (+)2 и (-)41 моделей мощностью ≥ 30 кВт используются для подключения внешнего тормозного модуля. Клеммы (+)1 и Θ для подключения дросселя постоянного тока.
- Если тормозной модуль используется в ПЧ со встроенным дросселем постоянного тока, то необходимо подключить клемму «+» тормозного прерывателя к выходной клемме дросселя постоянного тока.
- Подключение к клемме (+)1 повредит тормозной модуль.
В свою очередь для более ответственных и сложных систем следует использовать оборудование серии FCI.
У FCI есть следующие преимущества:
- Возможность программировать данный ПЧ, с помощью написания программного кода.
- Возможность устанавливать платы расширения в оборудование.
- Есть значительно количество вводов и выводов.
Данные преимущества заметны и в схеме подключений, рисунок 6:
В слот 2 можно устанавливать следующие платы расширения:
- Плата расширения для энкодера с дифференциальными выходами — FCI-PG1.
- Плата расширения для энкодера с открытым коллектором — FCI-PG3.
- Плата расширения для энкодера с коммутацией UVW — FCI-PG2.
- Плата резольвера — FCI-PG4.
При выборе преобразователя частоты всегда нужно учитывать в каком режиме будет работать электродвигатель:
- Режим G – общепромышленный режим или работа при тяжелых нагрузках ЭД.
- Режим P – насосный режим или работа при легких нагрузках ЭД.
Опять же при любом режиме работы преобразователей частоты нужно корректно подбирать периферийное оборудование.
Поскольку именно периферия сможет обеспечить корректную работу ЭД и ПЧ.
При подборе номинала преобразователя частоты в некоторых агрегатах следует учитывать следующее:
- Для насоса достаточно будет выбрать оборудование по P режиму работы на ступеньку больше.
- Для тягодутьевой машины и вентилятора лучше подбирать по G режиму работы.
- Для компрессоров целесообразно выбирать оборудование на ступеньку выше по G режиму.
- Для подъемного механизма так же целесообразно подбирать оборудование на одну ступеньку выше по режиму G.
- Для конвейера, где возникают знакопеременные нагрузки целесообразно выбрать оборудование на две ступеньки выше по режиму G.
- Всегда стоит соотносить всегда номинал тока электродвигателя и преобразователя частоты, при любых подборах и режимах всегда номинал А ПЧ на подбираемом режиме должен быть больше А ЭД,
На простом примере возьмем электродвигатель:
- Напряжение 380 В.
- Мощность 15 кВт.
- Ток статора 30 А.
Для подбора для работы возьмем линейку оборудования LCI рассмотренную выше, при подборе не учитываем схему подключений ПЧ, поскольку для каждого шкафа управления подходит свой привод.
Подбор по артикулам для указанных агрегатов будет следующим:
- Насос — LCI-G15/P18.5-4B.
- Конвейер — LCI-G22/P30-4B.
- Вентилятор — LCI-G15/P18.5-4B.
- Компрессор — LCI-G18.5/P22-4B.
- Тягодутьевая машина — LCI-G15/P18.5-4B.
- Подъемный механизм — LCI-G18.5/P22-4B.
В заключении можно отметить следующее в отношении частотников:
- Простейший функционал частотного преобразователя может уже «из коробки» без дополнительных настроек обеспечить работу простых систем.
- Современный преобразователь позволяет гибко управлять скоростью и моментом вращением ротора асинхронного электродвигателя.
- Гибкость использования обеспечивается за счёт множества интерфейсов управления и программирования десятков параметров.
- Обеспечивает разнообразные виды защиты электродвигателя и подключенных к нему механизмов.
- Может работать как самостоятельное устройство, так и в составе АСУ ТП.
Дополнительное оборудование для приводной техники
Как отмечалось выше, что принцип действия преобразователи частоты основан на выпрямлении переменного тока сети и дальнейшем преобразовании в переменный ток, но уже с другой частотой и напряжением.
Преобразование постоянного тока в переменный происходит за счёт широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
ШИМ заключается в коммутации выходов с частотой несколько тысяч раз в секунду, таким образом удаётся получить ток нужной частоты на выходе устройства и высокий КПД.
Для корректной работы приводной техники необходимо использовать периферийные устройства для улучшения качества питающей сети и обеспечить корректную работу с электродвигателем.
Назначение периферийных устройств для приводов:
- Пульт управления — позволяют дистанционно регулировать обороты электродвигателя и контролировать состояние привода.
- Моторный дроссель — снижает скорость нарастания аварийных токов, снижает гармоники от электродвигателя.
- Сетевой дроссель — уменьшает коэффициент гармоник в несколько раз от питающей сети до привода ПЧ или УПП.
- ЭМС фильтр сетевой — служит для снижения в сети высокочастотных помех от питающей сети до ПЧ.
- ЭМС фильтр моторный — служит для снижения в сети высокочастотных помех от ПЧ.
- Тормозной модуль — регулирует процесс торможения электродвигателя.
- Тормозной резистор — преобразует электрическую энергию в тепловую.
Применение всех указанных устройств представлена на рисунке 7:
Более подробно в каких случаях необходимо применять данные устройства рассмотрим ниже.
Для чего нужен ЭМС-фильтр и синусный фильтр
ЭМС-фильтр
Большой недостаток ШИМ, это наличие импульсов тока с частотой от частоты модуляции и выше, в частности на практике от единиц кГц до ГГц.
Несмотря на то, что импульсы в основном появляются на выходе приводов, значительный уровень помех наблюдается и на входе.
Если не бороться с этим явлением высокочастотные помехи проникают в питающую сеть и распространяются по ней на большие расстояния.
В связи с тем, что одно электрооборудование может влиять на работу другого электрооборудования, введен термин электромагнитная совместимость (ЭМС).
Из указанного определения ЭМС фильтров существует две модификации данного оборудования по назначению:
- Сетевой – который гасит помехи, идущие от сети.
- Моторный – который гасит помехи, идущие от ПЧ до электродвигателя (поэтому и есть преобразователи частоты со встроенным ЭМС фильтром).
Внешний вид ЭМС фильтра представлен на рисунке 8:
Безусловно в зависимости от номинала фильтра габариты его могут изменяться и у каждого производителя конструктив свой в зависимости от элементной базы.
На текущий момент времени разработана нормативная база для ЭМС стандарта для следующих сетей:
- Промышленных.
- Гражданских.
Для каждой из видов сетей выработаны свои нормативные показатели.
В гражданских сетях при наличии помех могут возникать следующие негативные явления:
- Перебои в работе средств связи.
- Плохая работа теле-радиоаппаратуры.
- Не корректная работа источников звука.
- Возникновение сбоев в работе электронной техники.
На промышленных предприятиях используется оборудование менее чувствительное к помехам, но при этом могут возникать следующие отрицательные явления:
- Не корректной работе сенсорных панелей HMI.
- Ложное срабатывание светосигнальной арматуры.
- Помехи приводят к нарушению точности полевого КИП.
- Приводить к сбоям в работе процессорных устройств ПЛК.
В общем случае допустимый уровень помех для промышленных предприятий значительно выше, чем для гражданских объектов.
Следует помнить, что преобразователь частоты без встроенного ЭМС-фильтра обычно не укладываются в нормативы, но в системе нет никакого чувствительного оборудования (ПЛК, КИП, HMI), то проблем не возникает при эксплуатации.
Планирование и расчёт ЭМС являются сложными задачами, однако обычно для выполнения требований по ЭМС, достаточно следующего:
- Обеспечить качественное заземление электротехнического шкафа.
- Обеспечить наличие встроенного фильтра в преобразователе частоты.
- Если нет встроенного фильтра, тогда использовать внешний фильтр рассчитанного на работу с оборудованием.
В руководствах по экспликации всегда есть рекомендации по подбору периферии для корректной работы оборудования.
Представлена таблица 2 подбора ЭМС фильтров для ПЧ серии FCI:
Есть следующие моменты, которые стоит принимать во внимание из практики:
- Если в шкафу управления есть чувствительное оборудование необходимо привести уровень помех в соответствие к нормативам.
- Датчики давления и температуры промышленного исполнения при правильном подключении хорошо защищены от помех.
- Целесообразно преобразователь частоты подключать отдельной кабельной линией от другого оборудования.
- Чем мощнее привод, тем больший уровень помех он вносит, поэтому ЭМС является необходимым.
При установке внешнего ЭМС следует соблюдать следующие условия:
- Устройство монтируется непосредственно перед ПЧ.
- Оборудование подключается в разрыв цепи питания преобразователя частоты.
- Заземление фильтра ЭМС обязательно, поскольку без заземления не будет эффективного подавления помех.
Установка фильтра ЭМС на входе ПЧ (при отсутствии встроенного фильтра ЭМС) желательна в следующих случаях:
- Если объект гражданский.
- Если возникают помехи на сторонне оборудование.
- Если требуется обеспечить точность работы привода, в точных системах как гидравлика или технологическое оборудование.
Установка фильтра ЭМС позволяет решить проблемы неустойчивой работы электронного оборудования вблизи преобразователя частоты.
Поэтому, наличие данного периферийного устройства позволит улучшить качество работы промышленного оборудования.
У большинства отечественных производителей приводной техники есть линейки своих ЭМС фильтров и обычно данное оборудование идет опционально.
Синусный фильтр
Как известно, минусом ШИМ является высокий коэффициент гармоник тока и напряжения, поэтому в данном контексте используется термин коэффициент нелинейных искажений (КНИ).
Согласно ГОСТ IEC 60034-1-2014 для электродвигателей, предназначенных для подключения непосредственно к электрической сети, параметры гарантированы при коэффициенте гармоник не более 2%.
Для компенсации нелинейных искажений в сети можно использовать следующие технические решения:
- Специализированные ЭД.
- Моторные дроссели.
- Синус-фильтры.
Оптимальным решением по соотношению цены и качества, является применение моторных дросселей.
К сожалению, специализированные электродвигатели и синус фильтры, очень дорогие по стоимости.
Но моторный дроссель частично уменьшает гармонические искажения тока в ЭД, но не устраняет их полностью, поэтому для дальнейшего снижения высокочастотных токов используют синусные фильтры (синус-фильтры).
Синусный фильтр дает следующие преимущества при примени:
- Позволяет снизить потери в ЭД.
- Позволяет снизить акустический шум.
- Позволяет снизить электромагнитный шум.
- Позволяет увеличить длину кабельной линии до электродвигателя.
- Позволяет снизить импульсное напряжение в кабеле и на обмотках электродвигателя.
- Позволяет снизить уровень гармонических искажений напряжения на ЭД до уровня 2-10%.
- В устройстве применяются конденсаторы, которые дают эффективность в снижении гармоник.
- Данное устройство в сочетании с дросселем могут образовать фильтр более высокого порядка.
- Позволяет снизить подшипниковые токи, что дает возможность применять ЭД с неизолированными подшипниками.
Синус-фильтр целесообразно применять в следующих случаях:
- При работе электродвигателя во взрывоопасных зонах.
- Можно устанавливать вместо моторного дросселя.
- Если большая длинна кабельной линии.
При подключении данного фильтра важно соблюдать:
- Подключение входа и выхода в соответствии с паспортом на фильтр.
- Преобразователь частоты подключается со стороны дросселя, а ЭД со стороны конденсаторов.
Неправильное подключение с большой вероятностью выведет из строя частотный преобразователь или синусный фильтр.
Использование синусного фильтра позволяет улучшить режим работы электродвигателя и моторного кабеля.
К сожалению, отечественных производителей данного оборудования нет.
Для чего нужны сетевой и моторный дроссели
Как описывалось ранее в сети существуют гармонические составляющие при работе с приводной техникой.
Возникают гармоники 5-го, 7-го и 11-го уровня, что эквивалентно следующим частотам сети:
- 250 Гц.
- 350 Гц.
- 550 Гц.
В промышленных сетях для гашения гармоник приходящие от сети на шкаф управления применяют сетевые дроссели.
У сетевого дросселя есть несколько различных наименований:
- Входной.
- Линейный.
Применение дросселей позволяет:
- Улучшить качество питающей сети потребителей.
- Защитить оборудование от всплесков токовых нагрузок при подключении к сети – при использовании сетевого дросселя.
- Защитить оборудования от всплесков токовых нагрузок от потребителей к оборудованию – при использовании моторных дросселей.
Сетевой дроссель включается в разрыв цепи питания преобразователя частоты, перед ПЧ или перед фильтром ЭМС при его наличии.
Внешний вид сетевого дросселя представлен на рисунке 9:
Выбирается Сетевой дроссель по номинальному току электродвигателя или частотного преобразователя.
Большой запас по току более 3-х раз не рекомендуется, так как в этом случае снижается эффективность подавления гармоник.
В руководствах по экспликации всегда есть рекомендации по подбору сетевых и моторных дросселей для корректной работы оборудования.
Представлена таблица 3 подбора дросселей для ПЧ серии FCI:
Высокочастотные импульсы тока в электрическом кабеле приводят к резонансным явлениям, из-за которых появляется выбросы напряжения, которые опасны как для преобразователей частоты и изоляции ЭД.
При большой длине кабельной линии данный эффект становится ярко выраженным.
Наличие токов высокой частоты в питающем токе двигателя приводит:
- К появлению паразитных токов в подшипниках электродвигателя.
- Возникает электроэрозионное разрушение подшипников.
- Возникает «искрение» в подшипниковом узле.
Для предотвращения данных явлений применяют моторные дроссели.
У моторного дросселя есть несколько различных наименований:
- Выходным.
- Фильтром dU/dt.
Моторный дроссель включается между ПЧ и электродвигателем, в непосредственной близости к преобразователю.
Наглядно схема подключения разного вида дросселей представлена на рисунке 10:
Выбирается выходной дроссель по току электродвигателя, но лучше всего делать подбор оборудования на основании рекомендаций из руководства по эксплуатации.
Внешний вид фильтра dU/dt представлен на рисунке 11:
Не следует путать моторный и сетевой дроссель, поскольку назначение у данных устройств разное, так же как технические параметры.
Сравнение индуктивности в различных моделях приведено в таблице 4:
Также дроссели отличаются по параметрам рабочих частот во время эксплуатации:
Во многих справочных материалах рекомендуют применять дроссели в следующих случаях:
- Протяженная кабельная линия от преобразователя частоты до электродвигателя.
- Протяженная кабельная линия от распределительного устройства до шкафа управления с ПЧ.
- При наличии оборудования в сети которое создает гармонические колебания (преобразователи частоты, УКРМ и тому подобное.
ЭМС фильтры и дроссели хорошо работают в паре и позволяют улучшить качество управления электроприводом.
Выбор тормозного резистора и тормозного модуля
Как известно преобразователь частоты может регулировать частоту тока питающего электродвигатель, следовательно с помощью данного устройства можно производить процесс торможения за счет уменьшения скорость вращения ротора.
Данный процесс называется торможением или плавным остановом ЭД.
Самый простой способ торможения, это отключение электропитания, при этом механизм останавливается за счёт трения в подшипниковом узел и самовыбегом происходит останов.
При торможении с помощью ПЧ могут возникать следующие моменты:
- Если нагрузка чрезмерно инерционная или связана с опусканием груза, или возможно возникновения затяжного свободного выбега, то при таких условиях могут возникнуть обратные токи.
- Если производить торможение только с помощью преобразователя, может возникнуть момент, когда не будет возможности корректно управлять ЭД и в результате останов будет проведен с помощью самовыбега.
Для торможения электродвигателей в промышленности применяют различные подходы:
- Торможение постоянным током.
Этот метод позволяет затормаживать ЭД, но при этом остаются проблемы с управляемостью темпом торможения, максимальный момент торможения невысокий и вся энергия торможения выделяется в электродвигателе, что может привести к его перегреву. Данный способ торможения реализован в ПЧ, но используется как вспомогательный.
- Снижение частоты питающего тока ниже скорости вращения.
В данном случае ЭД переходит в режим генерации тока и следовательно энергия из механизма возвращается обратно в преобразователь частоты. По данной методике возникает проблема утилизации излишек энергии в приводе.
- Применение синхронных или четырех-квадрантные выпрямителей.
Во время применения данного оборудования энергия возвращается в питающую электросеть. Но данное оборудование характеризуется высокой стоимостью и сложностью в эксплуатации.
- Механический тормоз агрегата или электродвигателя.
- Торможение с помощью тормозных резисторов и тормозных модулей.
Рассмотрим последнее решение, которое позволяет превратить излишнюю энергию в тепло.
Резисторы подключаются к шине постоянного тока преобразователя частоты через тормозной модуль.
Самая распространенная конструкция тормозного резистора представлена на рисунке 12:
У каждого производителя приводной техники есть свои рекомендации для применения резисторов, поэтому лучше всего следовать рекомендация завода-изготовителя.
Пример рекомендаций по выбору резисторов представлены в таблице 6:
К сожалению, одного резистора мало для обеспечения процесса торможения, поэтому в ПЧ необходимо наличие тормозного модуля.
Существуют следующие виды тормозных модулей:
- Встроенный.
- Внешний.
Внешний тормозной модуль представлен на рисунке 13:
Рекомендации и наличие тормозных модулей всегда есть в руководствах завода-изготовителя.
Пример рекомендаций по применению модулей приведены в таблице 7:
У разных производителей до различного номинала встречаются встроенные тормозные модули, к примеру в серии ESQ-600 встроенный тормозной модуль есть до номинала в 90 кВт.
Для более мощного оборудования применяются внешние тормозные модули.
Методика расчёта и подбора приведена для различных с учётом особенностей ПЧ в руководствах.
Результатом расчёта является мощность и сопротивление резистора.
Грубо посчитать сопротивление в случае встроенного тормозного модуля можно посчитать по формуле:
(1)
где
- U — напряжение звена постоянного тока, указано в РЭ, обычно 700В (В).
- Rmin — минимальное сопротивление указанное в РЭ на ПЧ (Ом).
- R — сопротивление тормозного резистора (Ом).
- Pторм — мощность торможения (Вт).
Мощность торможения приблизительно (за вычетом КПД) равна мощности электродвигателя, если торможение происходит с моментом равным номинальному моменту вращения ЭД.
Мощность резистора рассчитывается исходя из мощности торможения и того как часто происходит торможение.
Практически всегда мощность, выделяемая на резисторе, в среднем не превышает половину номинальной мощности электродвигателя, а именно для случая, когда половину времени ЭД разгоняется и половину времени затормаживается.
Если торможение происходит не так часто и с неполным моментом, мощность резистора может находиться в пределах 20% от мощности электродвигателя.
Для внешнего тормозного модуля:
(2)
где
- Imax — максимальный ток внешнего тормозного модуля (А).
- U — напряжение звена постоянного тока, указано в РЭ (В).
- R — сопротивление тормозного модуля (Ом).
- Pторм — мощность торможения (Вт).
В случае если тока одного тормозного модуля недостаточно, поэтому можно присоединить несколько тормозных модулей параллельно по входам.
В данном случае следует соблюдать следующие условия:
- У каждого тормозного модуля должны быть «свои» резисторы.
- Запараллеливать выходы тормозных модулей нельзя.
Когда нет в наличии необходимых резисторов для привода, тогда можно собрать комплексную сборку из различного номинала тормозных резисторов.
При этом общее сопротивление рассчитывается исходя из правил расчёт параллельных и последовательных резисторов.
Мощность оборудования рассчитывается исходя из закона Джоуля-Ленца в интегральной форме.
Для следующего оборудования используются тормозные модули и тормозные резисторы:
- Подъемные механизмы.
- Станки с инерционными частями.
- Мельницы и смесительные машины.
- Механизмы, где требуется торможение электродвигателем.
Определить сопротивление и мощность проще целесообразно определять на основании таблиц из руководств по эксплуатации на преобразователи частоты.
Когда нет возможности посмотреть справочную литературу, можно выполнить расчёт самостоятельно по формулам указанных выше.
