Частотно регулируемый привод (ЧРП)

Основной проблемой управления асинхронными двигателями (АД) является необходимость плавного регулирования скорости вращения вала во всех режимах работы. Традиционные способы, применяемые в первых образцах АД и состоящие в изменении питающего напряжения или введения в управляющие цепи дополнительных резисторов, были очень сложны и малоэффективны. С появлением мощных GBT-транзисторов и компактных микропроцессоров задача управления существенно упростилась, так как на основе этих элементов удалось создать частотно регулируемые привода или чрп (на рисунке ниже приведен их внешний вид).

Блок частотного управления

Такое усовершенствование системы управления работой электродвигателя позволило заметно снизить непроизводительные расходы на электроэнергию, а также продлить сроки эксплуатации приводного оборудования.

Особенности управления АД

В основу действия чрп заложен эффект воздействия частотно-модулированного сигнала, поступающего на статорные обмотки двигателя, что сказывается также и на скорости вращения его ротора. Поскольку частотное регулирование напрямую связано с принципом работы асинхронных агрегатов, в первую очередь, необходимо ознакомиться с особенностями функционирования последних.

Специфика устройства и работы АД состоит в следующем:

• Во-первых, его статор выполняется в виде мощной электромагнитной катушки, состоящей из 3-х отдельных обмоток;
• Каждая из ее частей наматывается таким образом, чтобы конструктивно разнести их по окружности на 120 градусов;
• Во-вторых, под воздействием приложенного трехфазного напряжения 380 Вольт внутри статорных обмоток формируется переменная ЭДС, любая из фаз которой также смещена относительно другой на те же 120 градусов (рисунок на фото ниже по тексту);

Схемное представление смещения фаз

• И, наконец, под ее воздействием в роторе наводится (индуцируется) своя ЭДС, которая активно взаимодействует с полем статора.

Вследствие всего перечисленного на ротор действует момент э/м сил, приводящих к тому, что он начинает вращаться. Поскольку его собственная ЭДС наводится с небольшой задержкой относительно статорной, создаваемое поле также немного отстаёт по фазе, что проявляется как их асинхронность.

С учетом всего сказанного проблемы возникают уже на стадии включения двигателя, поскольку в момент запуска при резком скачке напряжения от питающей сети забирается дополнительная мощность.

Попутное замечание. Помимо этого она необходима и для преодоления инерции находящегося в покое ротора.

Одновременно с этим и сам приводной механизм начинает испытывать значительные по величине токовые перегрузки, что объясняется скачкообразным изменением момента вращения на валу двигателя. Во время выхода АД на рабочий режим возможны те же проблемы, возникающие в определенных ситуациях (когда нужно изменить частоту вращения вала, например).

Указанную проблему позволяет снять частотно регулируемый электропривод, посредством которого удается плавно изменять параметры питающего напряжения. За счет использования современных миниатюрных компонентов эти устройства имеют сравнительно небольшие габариты и достаточно эффективны в эксплуатации.

Принцип действия ЧРП

Принцип работы частотного привода достаточно простой и может быть представлен таким образом:

• Трехфазное управляющее напряжение сначала поступает на выпрямительный блок, где на его основе формируются сглаживаемые конденсаторами постоянные сигналы (смотрите фото ниже);

Блок-схема

• Затем они передаются на электронный преобразовательный модуль, в котором под воздействием управляющих напряжений A, B и C генерируются пакеты импульсов, соответствующие каждой из трех исходных фаз;

• Возможность изменения их частоты и скважности позволяет варьировать отдаваемую в нагрузку мощность не дискретно, как это делалось при механической регулировке, а непрерывно;
• За счет непрерывности управления удается осуществить плавную регулировку параметров вращения двигателя.

Следствием применения частотно регулируемых приводов стало существенное повышение эффективности самого процесса управления, а также меньший износ вращающихся деталей.

Преимущества и дополнительные возможности

Описанные выше системы чрп отличаются следующими несомненными достоинствами:

• Высокая точность регулировочных операций;
• Существенное облегчение пускового режима привода;
• Возможность работы длительное время под максимальной или неполной нагрузкой;
• Снижение износа вращающихся элементов системы и продление срока их службы подшипников.

К этому следует добавить, что применение в практике управления АД частотно регулируемых приводов позволило контролировать состояние отдельных узлов по цепям промышленной электрической сети. Благодаря этому появилась возможность непрерывного и прямого учета наработанных двигателями часов с последующей оценкой эффективности их функционирования.

Кроме того, наличие электронных узлов допускает применение систем удаленного диагностирования возникших неисправностей в работе двигателя, таких, например, как пропадания фазы во входных цепях или появление посторонних утечек.

Для реализации этих возможностей к частотно регулируемому приводу можно подключаться через специальный терминал, подсоединяя к нему различные датчики (с их помощью удается контролировать давление смазки в подшипниках и другие). Общий вид одной из разновидностей таких терминалов приводится на рисунке ниже.

Пульт управления ЧРП

При непредвиденном пропадании напряжения в сети система управления автоматически включит экстренное торможение, а после его восстановления – перезапустит двигатель.

Кроме того, такой привод способен подстраивать скорость вращения вала ротора под непрерывно меняющуюся нагрузку. Благодаря всем перечисленным выше достоинствам, системы ЧРП в большинстве производственных цепочек полностью вытеснили популярные ранее контакторные устройства.

К числу недостатков систем частотного регулирования следует отнести создание ими сильных помех, мешающих нормальному функционированию других электронных устройств. Для устранения этого влияния в цепи управления должны устанавливаться специальные ВЧ фильтры, заметно снижающие уровень таких воздействий. Еще одним минусом этих агрегатов считается высокая стоимость, которая, однако, с лихвой окупается уже через пару лет их эксплуатации.

Области применения

Относительно сферы применения частотно регулируемых приводов следует отметить, что они широко применяются не только в различных производственных областях, но и очень часто используются в быту. На предприятиях и в рабочих цехах ими оснащается практически все оборудование, в состав которого входят асинхронные машины. Это могут быть:

• Прокатные станы;
• Станки с ЧПУ;
• Компрессорные, насосные и вентиляционные станции;
• Специальные резательные машины;
• Бетономешалки и подобные им агрегаты.

В области быта они широко применяются в таких распространенных изделиях, какими являются кондиционеры и стиральные машины, а в загородных хозяйствах ими оснащаются насосные станции для скважин, в частности.

Их применение в оборудовании, оснащенном системами ЧПУ, обеспечивает максимальную точность перемещения исполнительных механизмов станков сразу во всех направлениях (по всем осям).

ЧРП в насосном оборудовании

Наибольшей эффективности и экономии средств удалось достичь, когда системы ЧРП стали применяться в бытовом и промышленном насосном оборудовании (смотрите фото ниже по тексту).

Стойка управления насосным оборудованием

Дело в том, что стандарты управления такими агрегатами предполагают обязательное выполнение установленных норм регулирования положения дроссельных заслонок, работающих в напорных линиях. Их выполнение позволяет в случае уменьшения нагрузки, например, соответственно менять и давление в трубопроводе. При этом обычные насосные станции (без частотного регулирования) автоматически поддерживают обороты двигателя на одном уровне, не принимая во внимание, есть ли необходимость в поддержании постоянного давления в магистрали.

Такие не совсем оправданные затратные режимы сопровождаются повышенным расходом электроэнергии, а иногда становятся причиной аварии.

С появлением современных электронных ЧРП ситуация резко изменилась, поскольку при их работе появилась возможность поддержания нужного уровня давления в трубопроводе, в зависимости от нагрузки. Для реализации этой функции в системе управления предусматриваются специальные датчики, устанавливаемые на стороне потребителя, по сигналу с которых она автоматически поднимает или сбрасывает напор воды в магистрали.

Описанные выше устройства прекрасно состыкуются со всеми известными типами и модификациями электродвигателей и, как следствие, должным образом справляются с задачей автоматического регулирования скорости вращения приводного вала.

В заключительной части обзора следует отметить, что современные системы частотного управления работой АД отличаются высокой надежностью и довольно компактными размерами. Указанное обстоятельство позволяет размещать их в пыле,- и влагонепроницаемом корпусе небольших габаритов. За счет удобного пользовательского интерфейса эти приборы допускается эксплуатировать в любых производственных условиях. Добавим к этому, что электронные ЧРП имеют широкий диапазон рабочих мощностей (от 0,18 до 630 кВт).

Видео