Частотно-регульований привід (VFD) — це електронний пристрій, що використовується для зміни частоти напруги змінного струму з метою регулювання швидкості двигуна змінного струму. VFD також забезпечують керування пуском і зупинкою, прискоренням і уповільненням та захист від перевантаження. Багато ЧРП підтримують роботу в мережі, що дозволяє їм інтегруватися в систему керування технологічним процесом і надавати їй зворотний зв'язок.

Більшість промислових енергосистем працюють на змінному струмі (AC), як правило, трифазному, але іноді й однофазному. Тому VFD повинні мати можливість змінювати частоту напруги змінного струму для регулювання швидкості двигуна змінного струму. Для цього вони використовують постійний струм (DC).

Ця стаття охоплює базові питання, чому використовуються ЧП, як вони працюють, термінологію, пов'язану з ними, деякі ключові функції та місця їх типового встановлення.

Багато назв для одного пристрою

Постачальники та проєктувальники можуть використовувати багато назв або абревіатур для ЧП, навіть якщо основна функціональність та форм-фактор залишаються однаковими. Ось деякі поширені назви та абревіатури:

• Привід змінного струму
• Регульований частотний привід (AFD)
• Привід з регульованою швидкістю (VSD)
• Регульований швидкісний привід (ASD)
• Інвертор змінного струму

Як працює частотний перетворювач

Спосіб, яким частотний перетворювач перетворює вхідну потужність змінного струму на змінний вихідний струм, зазвичай можна описати, розглянувши наступні три складові.

На зображенні схематично показано принцип роботи частотного перетворювача (ЧП) або, як його ще називають, приводу зі змінною частотою (VFD - Variable Frequency Drive). Він перетворює змінний струм (AC) на постійний (DC), а потім знову на змінний струм, але вже з регульованою частотою, що дозволяє змінювати швидкість обертання електродвигуна (M).

Розглянемо детальніше кожен блок:

1. Діодний міст (Rectifier): Цей блок відповідає за перетворення вхідної трифазної напруги змінного струму (380VAC на схемі) в постійну напругу. Діоди пропускають струм лише в одному напрямку, тому на виході моста отримуємо пульсуючу постійну напругу.

2. DC шина (DC Bus): Цей блок згладжує пульсації постійної напруги, отриманої від діодного моста. Основним елементом тут є конденсатор (позначений на схемі), який накопичує енергію під час піків напруги та віддає її під час провалів, забезпечуючи більш стабільну постійну напругу. Напруга на DC шині зазвичай вища за вхідну напругу змінного струму.

3. Інвертор IGBT (Inverter IGBT): Цей блок перетворює постійну напругу з DC шини назад у змінну трифазну напругу, але вже з регульованою частотою. Ключовими елементами інвертора є IGBT-транзистори (Insulated Gate Bipolar Transistor - біполярний транзистор з ізольованим затвором). Вони працюють як електронні ключі, швидко вмикаючись і вимикаючись, формуючи послідовність імпульсів. Змінюючи частоту цих імпульсів (кількість вмикань/вимикань за секунду) та їх тривалість (ширину імпульсу), інвертор створює змінну напругу з потрібною частотою, що і регулює швидкість обертання двигуна (M).

Зображення вище показує принцип роботи широтно-імпульсної модуляції (ШІМ, PWM) для створення змінної напруги різної частоти за допомогою частотного перетворювача (ЧП).

Три графіки демонструють вихідну напругу інвертора ЧП при різних частотах: 10 Гц, 20 Гц та 30 Гц.

• Прямокутні імпульси: Вертикальні смуги різного кольору представляють собою імпульси напруги, що генеруються IGBT-транзисторами інвертора. Ширина цих імпульсів (тривалість часу, протягом якого транзистор перебуває у ввімкненому стані) модулюється (змінюється), звідки й назва - широтно-імпульсна модуляція.
• Синусоїда: Чорна крива, накладена на імпульси, показує усереднену форму напруги. Чим вища частота (10 Гц → 20 Гц → 30 Гц), тим частіше повторюються імпульси і тим більше форма усередненої напруги наближається до синусоїди.
• Частота: Помітно, що зі збільшенням частоти (від 10 Гц до 30 Гц) кількість періодів синусоїди на графіку збільшується. Це означає, що ЧП формує змінну напругу з різною частотою, що, в свою чергу, дозволяє регулювати швидкість обертання електродвигуна.

Коротко: Зображення ілюструє процес формування змінної напруги різної частоти за допомогою ШІМ у частотному перетворювачі. Змінюючи ширину імпульсів, інвертор створює напругу, усереднена форма якої наближається до синусоїди, а частота якої визначається частотою перемикання транзисторів.

Режими керування ЧП

ЧП може використовувати різні режими керування (або алгоритми) для модуляції напруги, деякі режими кращі за інші для різних застосувань. Вони можуть відрізнятися залежно від різних ЧП та виробників, але ось найбільш поширені режими та порівняльна таблиця:

Скалярне керування (V/f)

Це найпростіший і найпоширеніший метод керування. Він вимагає встановлення меншої кількості параметрів і в багатьох випадках може керувати двигуном зі стандартних налаштувань. У режимі V/Hz доступні різні налаштування, такі як:

• Високий пусковий момент
• Режим вентилятора та насоса
• Крива потужності 1.5
• Квадратична крива

Режим V/Hz може приймати зворотний зв'язок від енкодера, що дозволяє ЧП виконувати додаткові обчислення та забезпечувати більш точне керування швидкістю. Пусковий момент для керування V/Hz зазвичай становить 150% при 3 Гц.

Векторне керування

Цей режим забезпечує значно вищу продуктивність керування з використанням відомих або виміряних характеристик двигуна, таких як ККД, ковзання та коефіцієнт потужності. Ці та інші параметри використовуються в обчисленнях для забезпечення більшого крутного моменту на низьких швидкостях і більш точного керування. Існує багато застосувань, де керування крутним моментом важливіше, ніж керування швидкістю, і в цих ситуаціях потрібне векторне керування. Пусковий момент для векторного керування із замкнутим контуром зазвичай становить 200% при 0 об/хв. Цей тип керування необхідний у застосуваннях, де двигун повинен утримувати навантаження, наприклад, крани та ліфти.

Характеристика	Вольт/Герц	Векторне керування
Зворотний зв'язок	Не потрібен	Потрібен енкодер
Автонастройка	Не потрібна	Потрібна (для оптимальної продуктивності)
Пусковий момент	150% @ 3 Гц	200% @ 0.3 Гц (@ 0 об/хв для замкнутого контуру)
Конфігурація	Просте налаштування	Складніше
Продуктивність	± 2-3% від макс. швидкості	± 0.03% від макс. швидкості
Максимальна частота	400 Гц	600 Гц

Ця таблиця порівнює деякі особливості поширених режимів керування ЧП .

Переваги використання частотного перетворювача

Використання ЧП для керування швидкістю двигуна не тільки забезпечує безпечне, точне та регульоване керування, але й може забезпечити економію енергії. Ось деякі конкретні переваги для кінцевих користувачів:

• Керування швидкістю: Швидкість двигуна можна змінювати для оптимізації автоматизованих технологічних процесів, таких як транспортування, вентиляція, перекачування та обробка.

• Контрольований пуск/зупинка: ЧП пропонують більш інтелектуальні варіанти пуску та зупинки двигунів, такі як параметри прискорення та уповільнення для більш контрольованого збільшення та зменшення швидкості двигуна, що зменшує знос двигуна та керованого навантаження.

• Знижене споживання енергії: Для економії енергії двигуни можна запускати повільніше з тією швидкістю, яка необхідна для керованого навантаження. Іншим міркуванням є те, що витрати на електроенергію багатьох кінцевих користувачів розраховуються на основі пікового споживання. Двигуни змінного струму, що запускаються за допомогою традиційного пускача двигуна прямого пуску, можуть зазнавати стрибка струму до 20 разів від нормального повного навантаження, що можна мінімізувати за допомогою ЧП , що призведе до значної економії.

• Підвищена безпека: ЧП з безпечним відключенням крутного моменту (STO) стають звичайними в нових моделях, забезпечуючи найпростіший інтегрований контур безпеки для приводу. STO гарантує, що ЧП не може генерувати крутний момент на двигун і запобігає запуску за наявності небезпечних умов.

• Розширені функції: Деякі ЧП включають логічні функції та додаткові можливості керування вхідними/вихідними сигналами на борту для підвищення безпеки та продуктивності.

Для того, аби не бути голослівним, наведемо конкретний приклад розрахунку економії електроенергії. Розглянемо насос, обладнаний двигуном потужністю 7,5 кВт, та покажемо, як правильно оцінити можливу економію за рахунок впровадження енергоефективних рішень, таких як частотні перетворювачі, оптимізація режимів роботи або заміна на сучасні моделі з вищим ККД.

Як бачимо, теоретично можна досягти приблизно 50% економії електроенергії, якщо замінити традиційний метод регулювання потоку за допомогою засувки на більш сучасний підхід із використанням частотного перетворювача. Це дозволяє не лише зменшити витрати, але й підвищити ефективність роботи обладнання, знизити рівень зношення компонентів та забезпечити стабільність роботи всієї системи.

Ось посилання на калькулятор SinaSave. Ви можете використати його, щоб підставити власні дані та виконати розрахунок економії для вашого обладнання. Це дозволить оцінити потенційний ефект від впровадження енергоефективних рішень у конкретних умовах вашого виробництва.

Часті запитання щодо однофазного ПЧ

Однофазні ПЧ з трифазним виходом (220 В вхід, 3х220 В вихід):

Цей тип ПЧ призначений для живлення трифазних асинхронних двигунів від однофазної мережі 220 В. Він перетворює однофазну напругу на трифазну з напругою 220 В між фазами.

Спрощена будова однофазного ПЧ

Особливості та застосування:

• Підключення двигуна: Трифазний двигун підключається до виходу ПЧ за схемою "трикутник". Це необхідно для узгодження напруги двигуна з вихідною напругою ПЧ. Важливо пам'ятати, що при такому підключенні потужність двигуна буде дещо нижчою, ніж при підключенні до трифазної мережі 380 В за схемою "зірка".

• Потужність: Потужність таких ПЧ зазвичай обмежена і рідко перевищує 3 кВт, хоча існують і моделі більшої потужності. Це пов'язано з обмеженнями однофазної мережі.

• Застосування: Такі ПЧ часто використовуються в невеликих майстернях, гаражах, побутових умовах, де є однофазна мережа, але потрібно використовувати трифазний двигун, наприклад, для верстата, компресора або іншого обладнання.

Переваги:

• Можливість використання трифазних двигунів від однофазної мережі.

• Компактність та відносно низька вартість.

Недоліки:

• Обмежена потужність.

• Зниження потужності двигуна при підключенні за схемою "трикутник".

• Можливі обмеження щодо пускового моменту.

Важливо:

• При виборі такого ПЧ необхідно враховувати потужність двигуна та переконатися, що ПЧ здатний забезпечити необхідний струм.

• Необхідно правильно підключати двигун за схемою "трикутник".

• В деяких випадках може знадобитися додатковий захист двигуна від перевантаження.

Приклад:

У вас є однофазна мережа 220 В і вам потрібно запустити трифазний двигун потужністю 1.5 кВт. У цьому випадку вам підійде однофазний ПЧ з трифазним виходом 220 В потужністю не менше 1.5 кВт. Двигун необхідно буде підключити за схемою "трикутник".

Таким чином, однофазні ПЧ з трифазним виходом є зручним рішенням для використання трифазних двигунів в умовах однофазної мережі, але мають певні обмеження, які необхідно враховувати при виборі та підключенні.

Чому при виборі ПЧ слід надати перевагу відомим виробникам ?

Принципова різниця між дешевими китайськими частотними перетворювачами (ПЧ) та ПЧ від відомих виробників криється в багатьох аспектах, які впливають на надійність, функціональність, безпеку та загальну вартість володіння. Ось основні відмінності:

1. Якість компонентів та збірки:

• Дешеві ПЧ: Часто використовують компоненти нижчої якості від невідомих виробників. Це може призвести до швидшого зносу, виходу з ладу, нестабільної роботи та меншого терміну служби. Збірка також може бути неякісною, з поганими з'єднаннями та недостатнім контролем якості.

• ПЧ від відомих виробників: Використовують високоякісні компоненти від перевірених постачальників, таких як Infineon, Mitsubishi, Fuji Electric та інші. Це гарантує високу надійність, стабільну роботу та довгий термін служби. Виробництво відбувається з суворим контролем якості на кожному етапі.

2. Функціональність та можливості:

• Дешеві ПЧ: Зазвичай мають обмежений набір функцій та параметрів. Можуть бути відсутні важливі функції захисту, такі як захист від перевантаження по струму, перенапруги, короткого замикання, перегріву тощо. Алгоритми керування можуть бути спрощеними та менш ефективними.

• ПЧ від відомих виробників: Пропонують широкий спектр функцій та можливостей, включаючи різні режими керування (скалярне, векторне, пряме керування моментом), розширені функції захисту, комунікаційні інтерфейси (Modbus, Profibus, Ethernet тощо), функції програмування та діагностики. Алгоритми керування є більш складними та ефективними, що забезпечує точне та плавне керування двигуном.

3. Технічна підтримка та сервіс:

• Дешеві ПЧ: Зазвичай мають обмежену або відсутню технічну підтримку та сервіс. У разі виникнення проблем може бути складно отримати консультацію або ремонт.

• ПЧ від відомих виробників: Забезпечують повну технічну підтримку, включаючи консультації, навчання, гарантійне та післягарантійне обслуговування, наявність запасних частин та сервісних центрів.

4. Безпека та відповідність стандартам:

• Дешеві ПЧ: Можуть не відповідати міжнародним стандартам безпеки та електромагнітної сумісності (EMC). Це може становити небезпеку для обладнання та персоналу.

• ПЧ від відомих виробників: Відповідають всім необхідним стандартам безпеки та EMC, що підтверджено відповідними сертифікатами.

5. Вартість володіння:

• Дешеві ПЧ: Хоча початкова вартість може бути нижчою, низька якість та надійність можуть призвести до частих поломок, простоїв обладнання та додаткових витрат на ремонт та заміну.

• ПЧ від відомих виробників: Мають вищу початкову вартість, але забезпечують надійну та безперебійну роботу, що в результаті може призвести до значної економії коштів у довгостроковій перспективі.

Підсумовуючи

Для правильного вибору ЧП, зверніть увагу на повний перелік функцій та основні відомості, наведені в цій статті. Це допоможе вам знайти ЧП, який безпечно та ефективно задовольнить потреби вашого обладнання за розумною ціною.