Меню

Перенапряжение звена постоянного тока частотника

Особенности реализации вентиляционных систем с применением частотных преобразователей

Для регулирования скорости большинства современных вентиляторов и дымососов используются частотные преобразователи. Они позволяют плавно менять производительность вентиляторных установок в широких пределах, обеспечивают плавный пуск и останов электродвигателя, а также позволяют экономить электроэнергию.

При этом количество управляющих сигналов, приходящих из внешней системы автоматизации, минимально и чаще всего ограничивается аналоговым заданием по скорости и дискретным сигналом разрешения работы.

В то же время, несмотря на кажущуюся простоту, электромеханическая система вентилятора является достаточно сложной системой, имеющей свои особенности эксплуатации. Одной из особенностей работы вентилятора, которая не учитывается большинством инженеров по автоматизации систем вентиляции, является влияние электромеханической составляющей, обусловленной большим моментом инерции крыльчатки. Из-за него во вращающихся массах вентилятора запасается большое количество кинетической энергии, которая негативно влияет на динамические характеристики вентилятора при регулировании скорости, пуске и останове. При неправильной настройке системы управления выброс этой энергии может даже приводить к отказу электроники преобразователя частоты, в частности на этапах останова, замедления и принудительного раскручивания вентилятора за счет внешней тяги без подачи питающего напряжения на электродвигатель.

Поэтому выясним, почему же при эксплуатации преобразователя частоты возникают ошибки, приводящие к останову системы вентиляции и даже отказу элементов системы.

Чаще всего, при аварийном останове ПЧ на дисплее отображается ошибка «OU» — перенапряжение по шине постоянного тока. Электрик, обслуживающий установку, приходит на место работы ПЧ, проверяет напряжение на входных клеммах преобразователя L1, L2, L3 и делает вывод, что имело место кратковременное превышение напряжения в питающей сети. В худшем случае он просто сбрасывает ошибку, путем перезапуска преобразователя, в лучшем случае устанавливает по входу реле контроля напряжения. Однако, через некоторое время эксплуатации ошибка появляется вновь, и ситуация повторяется до отказа преобразователя.

На самом деле перенапряжение на шине постоянного тока преобразователя может появляться в двух случаях:

  • перенапряжение в питающей сети;
  • генераторный режим электродвигателя (режим рекуперации).

С помощью измерителя напряжения чаще всего контролируется входное напряжение и при обнаружении «всплесков» напряжения самой простой защитой является установка сетевого дросселя перед ПЧ. В то же время выброс энергии при генераторном режиме вентилятора является кратковременным, фиксируется лишь самим ПЧ на внутренней шине постоянного тока (отображение ошибки «OU») и не может быть зафиксирован измерительными приборами обслуживающего персонала.

Чем же обусловлен генераторный режим электродвигателя вентилятора? Ведь для этого вентилятор должен раскручиваться до скорости, выше скорости идеального холостого хода двигателя.

С помощью рис.1 рассмотрим причину возникновения этого явления. Пусть мы работаем в рабочей точке №1, при этом из звена постоянного тока преобразователя потребляется мощность Рн. Далее внешней системой автоматики подается команда на снижение скорости и переходе в рабочую точку №2. Если величина допустимого ускорения/замедления привода не будет ограничиваться, то кинетическая энергия, запасенная в механизме вентилятора будет раскручивать вал электродвигателя выше синхронной скорости, задаваемой преобразователем. При этом скорость будет оставаться положительной, а вот момент, создаваемый двигателем, станет отрицательным и электропривод перейдет в генераторный режим. В этом случае энергия рекуперации Ррекуп будет передаваться от двигателя к преобразователю частоты.

Механические характеристики асинхронного электродвигателя

Рисунок 1. Механические характеристики асинхронного электродвигателя при управлении
от преобразователя частоты в режиме торможения

Электрические схемы силовой части большинства современных преобразователей частоты похожи. Упрощенная схема, представленная на рис.2, содержит неуправляемый выпрямитель, фильтр звена постоянного тока и инвертор на IGBT-транзисторах с обратными защитными диодами.

Упрощенная электрическая схема силовой части преобразователя частоты

Рисунок 2. Упрощенная электрическая схема силовой части преобразователя частоты

Из рис.2 можно видеть, что энергия, поступающая от двигателя в преобразователь частоты, приходит в звено постоянного тока через обратные диоды, которые в этом режиме выступают в роли неуправляемого выпрямителя. При этом не имеет значения, открыты ли в этот момент IGBT – транзисторы инвертора или нет. Поскольку через входной неуправляемый выпрямитель в звено поступает выпрямленное напряжение сети, то электролитические конденсаторы звена постоянного тока уже заряжены. Энергия торможения, в свою очередь, не передается в питающую сеть через входной неуправляемый выпрямитель, поэтому выброс энергии от двигателя приводит к перенапряжению на элементах звена постоянного тока и трехфазном инверторе и их отказу. Также вредным фактором такого режима является то, что при повышенном напряжении в звене постоянного тока прикладывается повышенное напряжение к ключам инвертора. Это приводит к повышенному тепловыделению в них, их частичному разрушению и последующему отказу.

Другим видом неисправности, возникающей при эксплуатации вентиляторов, является перегрузка IGBT – ключей при пуске. Эта неисправность вызвана чаще всего динамическими колебаниями скорости, особенно при пусках с малым временем разгона и больших маховых массах на валу электродвигателя.

Рассмотрим причины ее возникновения. При малом времени разгона имеет место режим, когда преобразователь частоты пытается раскрутить двигатель сразу до большого значения скорости. При этом вследствие инерционности маховых масс вентилятора вал электродвигателя раскручивается не сразу, а с существенной задержкой. В этом случае, поскольку напряжение на двигатель подается, а вращение вала двигателя сильно замедлено, преобразователь отрабатывает допустимую перегрузку и прекращает разгон, закрывая силовые транзисторы инвертора, и индицирует ошибку «ОС1» — короткое замыкание фазы двигателя. В то же время ЭДС, наведенная в обмотках двигателя, преобразуется в кинетическую энергию, которая уже раскручивает двигатель и переводит его в генераторный режим, так как все ключи инвертора закрыты, и энергия от двигателя идет в звено постоянного тока. Это приводит к перенапряжению в звене постоянного тока и появлению ошибки перенапряжения «OU», при этом ошибка короткого замыкания «ОС1» на преобразователе сбрасывается. Поскольку в это время ключи закрыты, и управление двигателем прекращено, то двигатель замедляется, перенапряжение исчезает и преобразователь снова начинает раскручивать двигатель. Такие циклы повторяются и вентилятор выходит на номинальную скорость вращения после нескольких рывков по скорости при значительной перегрузке силовых ключей преобразователя. При этом обнаружить такой режим можно лишь по косвенным признакам, а именно возникновении в кодах последних ошибок преобразователя ошибок «ОС1» — короткое замыкание на выходе преобразователя частоты и «OU» — перенапряжение по шине постоянного тока.

Исходя из вышеуказанных особенностей эксплуатации электродвигателей вентиляторов, рассмотрим способы подключения и конфигурирования преобразователей частоты для систем вентиляции, при которых будет обеспечиваться безотказный режим работы.

1. Подключение управляющих сигналов.

Чаще всего, как было сказано ранее, управление преобразователем частоты вентилятора реализуется чаще всего с помощью аналогового сигнала для задания скорости и дискретного сигнала для выдачи разрешения работы. При этом большинство инженеров – проектировщиков реализуют с помощью дискретного сигнала, как пуск, так и останов вентилятора. Это и бывает причиной отказа большинства преобразователей частоты, которые неправильно сконфигурированы либо подключены.

Дело в том, что у большинства преобразователей частоты имеется дискретный вход разрешения работы, который во многих инструкциях ошибочно обозначается как вход пуска ПЧ. Так, например, у преобразователя частоты Lenze серии ESMD сигнал разрешения работы подается на контакт 28 соединителя управления. При неактивном уровне сигнала разрешения работы подачи управляющих импульсов на IGBT – транзисторы силового инвертора нет и инвертор не работает. Если вал электродвигателя вращается, то при наличии больших маховых масс вентилятора двигатель переходит в генераторный режим и происходит неконтролируемый выброс энергии с двигателя в звено постоянного тока преобразователя, что часто приводит к отказу преобразователя. В ряде случаев даже кратковременного перевода в неактивное состояние сигнала разрешения работы преобразователя при работающем вентиляторе хватает для возврата двигателем энергии в звено постоянного тока преобразователя, достаточной для отказа силовых элементов этого звена (включительно с инвертором).

Существуют несколько возможных путей решения данной проблемы:

  1. использование преобразователей частоты с функцией плавного замедления при снятии разрешения работы;
  2. применение более сложных схем управления.

В первом случае можно рекомендовать преобразователи частоты Lenze серии ESV, в которых есть параметр, определяющий реакцию на пропадание сигнала разрешения работы. Для обеспечения безопасного режима замедления вентилятора с большими маховыми массами рекомендуется установить значение Р111=2 (останов по заданной траектории при пропадании сигнала разрешения работы).

Во втором случае пуск преобразователя производится при нулевом значении задания по скорости, а затем с помощью аналогового сигнала внешнего контроллера либо потенциометра производится плавный разгон вентилятора до номинальной скорости. Аналогичным образом, производится замедление двигателя путем уменьшения аналогового сигнала и при нулевой скорости снимается сигнал разрешения работы. Второй вариант является более сложным, однако позволяет получить лучшие регулировочные характеристики вентилятора.

2. Подключение элементов защиты звена постоянного тока.

Очевидно, что главной опасностью при генераторном режиме является повышение напряжения в звене постоянного тока. Следовательно, решением, обеспечивающим безопасную эксплуатацию, является введение в схему электропривода элементов рассеяния тормозной энергии. Одним из наиболее дешевых решений является использование тормозных чопперов (силовых коммутаторов), совместно с тормозными резисторами, включаемых в звено постоянного тока.

Принцип работы такой схемы следующий. При превышении напряжения в звене постоянного тока выше допустимого (этот уровень устанавливается при программировании ПЧ либо перемычками на чоппере в зависимости от типа ПЧ) происходит открытие силового ключа тормозного модуля и осуществляется сброс энергии на тормозной резистор. Это действие происходит автоматически и не влияет на качество работы электродвигателя вентилятора. Преимуществом такого подхода является защита ПЧ от вредных последствий генераторного режима даже при полном отключении управляющих сигналов, неправильном конфигурировании времени разгона/замедления и т.д.

3. Выбор рационального времени разгона/замедления преобразователя.

Следует помнить, что при снятии сигнала разрешения работы(или его обрыве) и неправильной конфигурации преобразователя частоты управление ключами инвертора прекращается и происходит неконтролируемый выброс энергии с двигателя в звено постоянного тока. Тем не менее, правильная конфигурация времени разгона/торможения обеспечивает эксплуатацию ПЧ без перегрузок по току и напряжению. В первую очередь следует помнить, что время разгона ПЧ должно быть намного больше времени прямого пуска асинхронного электродвигателя вентилятора. Так, например, если для вентилятора средней и большой мощности время прямого пуска составляет от 5 секунд, то время разгона от ПЧ должно быть больше, как минимум, в разы. При установлении меньшего времени разгона возможна как перегрузка по току, так и пуск рывками с возникновением перенапряжений, описанный ранее. Аналогичным образом выбирается время останова двигателя. Для этого необходимо при проведении пусконаладочных работ на этапе останова электродвигателя контролировать величину напряжения в звене постоянного тока (к примеру, параметр С53 преобразователей частоты Lenze серии ESMD).

Читайте также:  Как проверить ток стабилитрона

Заметим, что при использовании преобразователя частоты Lenze 8200 Vector ошибка короткого замыкания «ОС1» в режиме прерывистого пуска не записывается, а просто на дисплее отображается сообщение «Imax» — достигнут предел значения по току, выставляемый пользователем в параметре «С22». Также важно помнить, что преобразователь частоты Lenze способен выдерживать перегрузки до 180% от номинального значения, однако при этом перегреваются силовые транзисторы инвертора. Таким образом, в случае частых пусков без выдержки паузы между перегрузками возможен отказ этих транзисторов даже при установленной защите в параметре «С22» (отказ возможен не сразу, а после десятков и даже сотен повторяющихся тяжелых пусков).

Использование рекомендаций и советов, представленных в этой статье, поможет инженерам – проектировщикам электромеханических систем вентиляции уменьшить вероятность отказа преобразователя частоты и оптимизировать работу вентилятора в целом.

Старший преподаватель кафедры АУЭК НТУУ «КПИ», к.т.н. Торопов А.В.

Полезные ссылки

Преобразователи частотыПреобразователи частоты

Источник

Перенапряжение звена постоянного тока частотника

Группа: Участники форума
Сообщений: 32
Регистрация: 4.10.2012
Пользователь №: 165564

Всем доброго времени суток.

Столкнулся со «странным» явлением и не могу понять в чём может быть причина: повышается напряжение в цепи постоянного тока частотника в процессе разгона И после набора частоты. Т.е. , пока ЧП отключен, дисплей показывает внутреннее напряжение DC-цепи примерно 550. 600 В (сетевое напряжение на объекте немного завышено, но в допустимом диапазоне). Как только начинается разгон, это напряжение возрастает до 720. 760 В и ЧП периодически отключается по превышению напряжения. До номинальной частоты он ещё ни разу не разгонялся — постоянно отрубается из-за высокого напряжения. В настройка задрал на максимум порог отключения по высокому напряжению, снизил чувствительность этой функции и т.д. — не помогло. Отсоединили нагрузку от двигателя — картина не изменилась.

ВОПРОС такой : как такое возможно? двигатель (даже без инерционной нагрузки) на разгоне и в установившемся режиме переходит в генераторный режим — такое ведь бывает только при торможении с маленьким заданным временем замедления . Откуда берутся обратные токи , которые повышают напряжение ? Или возможна иная причина ?

Исходные данные следующие:
1. двигатель 200кВт, 380В, 395А, 600 об/мин
2. нагрузка — дымосос котла.
3. настройки ЧП — квадратичная характеристики разгона (вентиляторная нагрузка), режим работы U/f, время разгона менял от 10 секунд до 5ти минут.

Сообщение отредактировал MCROMAX7 — 4.9.2015, 16:42

Pawel

Просмотр профиля

Группа: Участники форума
Сообщений: 1162
Регистрация: 19.1.2010
Из: Екатеринбург
Пользователь №: 44590

Скорее всего что то с самим ПЧ, его датчиком напряжения, Вы ничего не пишете , а мы не можем догадаться, марка ПЧ. А возможно и тягой в трубе его так разгоняет.

Сообщение отредактировал Pawel — 4.9.2015, 17:29

den.mgn

Просмотр профиля

Группа: Участники форума
Сообщений: 1074
Регистрация: 12.12.2007
Пользователь №: 13744

MCROMAX7

Просмотр профиля

Группа: Участники форума
Сообщений: 32
Регистрация: 4.10.2012
Пользователь №: 165564

Забыл указать. Марка ПЧ — «INSTART». Раньше с ними работать не приходилось.

Двигатель от дымососа отсоединили — не помогло

Все параметры ввёл по паспорту электродвигателя

Завтра еду на объект разбираться дальше, а «идей» никаких нет .

MCROMAX7

Просмотр профиля

Группа: Участники форума
Сообщений: 32
Регистрация: 4.10.2012
Пользователь №: 165564

Pawel

Просмотр профиля

Группа: Участники форума
Сообщений: 1162
Регистрация: 19.1.2010
Из: Екатеринбург
Пользователь №: 44590

Инстарт это чистокровный китаец. У них там нет сброса настроек на заводские по умолчанию?

Сообщение отредактировал Pawel — 6.9.2015, 19:22

den.mgn

Просмотр профиля

Группа: Участники форума
Сообщений: 1074
Регистрация: 12.12.2007
Пользователь №: 13744

Идентификацию без дымососа сделай.

Сообщение отредактировал den.mgn — 6.9.2015, 22:23

Andy79

Просмотр профиля

Группа: Участники форума
Сообщений: 213
Регистрация: 1.9.2006
Пользователь №: 3858

MCROMAX7

Просмотр профиля

Группа: Участники форума
Сообщений: 32
Регистрация: 4.10.2012
Пользователь №: 165564

Ещё раз: пытался запустить и С дымососом и БЕЗ него — картина не меняется.

Ничего такого нет. Там вообще пока всё отключено, кроме освещения. Трансформаторная метрах в 15 находится. Правда конденсаторы на вводе ещё не подключены.

Alexander_I

Просмотр профиля

Группа: Участники форума
Сообщений: 1115
Регистрация: 25.8.2010
Из: Одесса
Пользователь №: 69560

MCROMAX7

Просмотр профиля

Группа: Участники форума
Сообщений: 32
Регистрация: 4.10.2012
Пользователь №: 165564

Частотник не в режиме ПИД-регулирования. Его задача — просто держать заданные обороты. В настройках есть параметры ПИ-регулятора скорости — вот с ними я «поиграл», но так и не удалось его «замедлить». Слишком «шустро» он реагирует на разницу между текущей и заданной частотой и в результате выходная частота как бы «дрожит» в небольшом диапазоне. Может быть конечно я не правильно понимаю процесс.

SVKan

Просмотр профиля

Группа: Участники форума
Сообщений: 1599
Регистрация: 26.12.2011
Из: Новосибирск
Пользователь №: 134454

Параметры ПИ автоматического регулятора скорости это для вектора.

Вольт частотный режим много тупее. Нет там таких регулировок.

den.mgn

Просмотр профиля

Группа: Участники форума
Сообщений: 1074
Регистрация: 12.12.2007
Пользователь №: 13744

По самые по.

Просмотр профиля

Группа: Участники форума
Сообщений: 3599
Регистрация: 6.9.2007
Пользователь №: 11117

Дак какой ПИ-регулятор вы используете? Откуда он взялся, если ПИД ОТКЛЮЧЕН?
Вы назначение ПИД-регулятора понимаете? И для чего он необходим?

MCROMAX7

Просмотр профиля

Группа: Участники форума
Сообщений: 32
Регистрация: 4.10.2012
Пользователь №: 165564

Параметры ПИ автоматического регулятора скорости это для вектора.

Вольт частотный режим много тупее. Нет там таких регулировок.

В данном ПЧ есть. Именно Пи-регулятор скорости. В описании два параметра «Пропорциональное усиление
контура скорости» и «Время интегрирования отклонений скорости».

Вы , уважаемый, читали бы внимательно — речь идёт не о регуляторе процесса, а именно о контуре регулирования выходной частоты ( там тоже ПИ-регулятор судя по мануалу и поведению прибора при изменении коэффициентов)

По самые по.

Просмотр профиля

Группа: Участники форума
Сообщений: 3599
Регистрация: 6.9.2007
Пользователь №: 11117

В данном ПЧ есть. Именно Пи-регулятор скорости. В описании два параметра «Пропорциональное усиление
контура скорости» и «Время интегрирования отклонений скорости».

Вы , уважаемый, читали бы внимательно — речь идёт не о регуляторе процесса, а именно о контуре регулирования выходной частоты ( там тоже ПИ-регулятор судя по мануалу и поведению прибора при изменении коэффициентов)

Тогда расскажите, уважаемый, как у вас построен контур скорости!

MCROMAX7

Просмотр профиля

Группа: Участники форума
Сообщений: 32
Регистрация: 4.10.2012
Пользователь №: 165564

Если бы я точно знал как в этих ПЧ построен контур управления выходной частотой и для чего в параметрах фигурируют эти 2 настройки, то я бы с радостью с Вами поделился этой ценной информацией. Могу привести только цитату из мануала:

— классические рекомендации по настройке ПИ-регуляторов, только речь идёт о скорости == выходной частоте

По самые по.

Просмотр профиля

Группа: Участники форума
Сообщений: 3599
Регистрация: 6.9.2007
Пользователь №: 11117

MCROMAX7

Просмотр профиля

Группа: Участники форума
Сообщений: 32
Регистрация: 4.10.2012
Пользователь №: 165564

Я уже и в скалярном и в векторном пытался запустить. Перебрал , можно сказать, все возможные комбинации параметров — не хочет он крутить мотор, ругается.

По самые по.

Просмотр профиля

Группа: Участники форума
Сообщений: 3599
Регистрация: 6.9.2007
Пользователь №: 11117

По самые по.

Просмотр профиля

Группа: Участники форума
Сообщений: 3599
Регистрация: 6.9.2007
Пользователь №: 11117

SVKan

Просмотр профиля

Группа: Участники форума
Сообщений: 1599
Регистрация: 26.12.2011
Из: Новосибирск
Пользователь №: 134454

SVKan

Просмотр профиля

Группа: Участники форума
Сообщений: 1599
Регистрация: 26.12.2011
Из: Новосибирск
Пользователь №: 134454

Дак какой ПИ-регулятор вы используете? Откуда он взялся, если ПИД ОТКЛЮЧЕН?
Вы назначение ПИД-регулятора понимаете? И для чего он необходим?

Тогда расскажите, уважаемый, как у вас построен контур скорости!

Если чего-то не понимаете, то надо учиться, а не демонстрировать свое невежество.
Векторный контроль подразумевает обратную связь.
При наличии того же энкодера, это данные по скорости полученные от него. В случае отсутствия датчика данные о скорости берутся по косвенным признакам, по тому же току.
А дальше имеем классическую ситуацию. В любой момент времени у нас есть контретное задание по скорости на текущий момент и данные полученные по обратной связи. Соответственно должна выполняться коррекция. Для этого и используется ПИ регулятор автоматического регулятора скорости (ASR).
Для некоторых алгоритмов задействуется еще автоматический регулятор положения (APR). Но это уже специализированно, редко и в очень отдельных функциях (функция противоотката для грузоподъема).

При этом, не все производители называют параметры прямо тем чем они являются на самом деле.
Корейцы или та же Яскава так и пишут P Gain, I Gain — то есть честно называют это ПИ регулятором. Плюс еще обычно есть низкочастотный фильтр, чтобы сгладить внешние возмущения.
Тот же Шнайдер изобрел свои названия типа FLG, Sta, SFC — но суть их от этого принципиально не изменилась.
Это тоже ПИ контроллер.
И с его помощью можно действительно эффективно управлять вектором там где это требуется. Подстраивать скорость реакции на расхождения и ее силу, устранить перерегулирование и вибрации, уменьшить расхождения по скорости, уменьшить/устранить откаты на грузоподъемах.

Читайте также:  Блуждающие токи в электричестве

poludenny

Просмотр профиля

Группа: Участники форума
Сообщений: 1034
Регистрация: 25.5.2009
Из: Запорожье
Пользователь №: 33943

В скалярном режиме не должно такого наблюдаться и ни каких перерегулирований по скорости. Вы уверены что правильно включили скалярный режим?

В частотниках еще бывает такая функция, как автоадаптация темпа торможения, которая не позволяет повышаться напряжению DC выше нормы.

ПЧ новый? Может у него повысыхали конденсаторы DC уже? если ёмкость сильно упала, то такое тоже может быть.

Сообщение отредактировал poludenny — 8.9.2015, 8:51

den.mgn

Источник

Правда о пяти мифах частотно-регулируемого привода

Независимо от того, насколько давно и каким образом, уже обыденные частотные преобразователи пришли в Вашу жизнь, где-то есть тот, кто впервые стукнулся с ЧРП или только рассматривает возможность их применения. Вспомните, когда вы впервые задумались о применении одного из современных частотных преобразователей с широтно-импульсной модуляцией для двигателя переменного тока. Скорее всего, у вас, на тот момент, было не совсем верное представление об их возможностях и назначении. В этой статье мы рассмотрим и постараемся развеять пять распространенных мифов о частотно регулируемом приводе.

Частотный преобразователь

Рис. 1. Частотный преобразователь

Миф № 1: Выходной сигнал частотного преобразователя является синусоидальным

Людям, так или иначе связанные с эксплуатацией электродвигателей в, как правило, знакома работа асинхронных двигателей переменного тока с использованием пускателей. При пуске электродвигателя, пускатель замыкает контакты обмоток электродвигателя с фазами 3-х фазной питающей сети. Напряжение каждой фаза представляет собой синусоидальную волну. Приложенное напряжение создает на клеммах электродвигателя тоже синусоидальной формы с той же частотой (можно убедится проверкой напряжения на клеммах электродвигателя). Пока вроде всё просто и понятно.

А вот что происходит на выходе преобразователя частоты, это совсем другая история. Частотный преобразователь обычно выпрямляет входное трехфазное переменное в постоянное напряжение, которое фильтруется и аккумулируется при помощи больших конденсаторов звена постоянного тока. Напряжение звена постоянного тока затем инвертируется, для получения переменного напряжения, переменной частоты на выходе. Процесс инверсии осуществляется посредством трех изолированных биполярных транзисторов (IGBT) с двумя изолированными затворами — по одной паре на выходную фазу (см. Рис 2). Поскольку выпрямленное напряжение инвертируется в переменное, выходное звено называют «инвертором». Включение, выключение, а также длительность нахождения IGBT-транзисторов в положении ВКЛ или ВЫКЛ может управляться, что и определяет значение частоты выходного напряжения. Отношение выходного среднеквадратического напряжения к выходной частоте определяет магнитный поток, развиваемый в электродвигателе переменного тока. Когда выходная частота увеличивается, выходное напряжение также должно увеличиваться с той же скоростью, чтобы поддерживать постоянство отношения и, следовательно, постоянную скорость вращения двигателя. Обычно соотношение между напряжением и частотой поддерживается по линейному закону, что обеспечивает возможность поддержания постоянного крутящего момента.

Схема инвертора с IGBT транзисторами

Рис. 2. Схема инвертора с IGBT транзисторами

Результирующий сигнал напряжения, прикладываемый к обмотке двигателя, не является синусоидальным (см. Рис. 3). Обратите внимание, что иногда отношение напряжения по частоте (V / f) может быть отличным от линейного, что характерно для вентиляторов, насосов или центробежных нагрузок, которые не требуют постоянного крутящего момента, но обеспечивают тем самым возможность экономии электроэнергии.

Форма сигнала ШИМ напряжения на выходе частотного преобразователя

Рис. 3. Форма сигнала ШИМ напряжения на выходе частотного преобразователя

Как же отразится пилообразная форма питающего напряжения на работе электродвигателя. Асинхронный двигатель является по своей сути большой катушкой индуктивности. А характерной особенностью индукции является ее устойчивость к изменениям тока. Увеличивается или уменьшается сита ток, индукция будет выступать против этого изменения. Какое же это имеет отношение к форме сигнала напряжения ШИМ на рисунке 3? Вместо того, чтобы позволить импульсу тока увеличиваться в том же порядке, что и приложенный импульс напряжения, ток начнет медленно возрастать. Когда импульс напряжения закончился, ток плавно уменьшается, а не исчезает мгновенно. В общих чертах это происходит следующим образом: до момента, когда ток снизился до нуля, поступает следующий импульс напряжения, и ток начинает плавно увеличиваться. Если последующий импульс становятся шире, ток плавно достигает большего значения, чем раньше. В конце концов, текущий сигнал становится синусоидальным, хотя и с некоторыми зубчатыми переходами (см. Рис. 4).

Форма сигнала тока на выходе частотного преобразователя

Рис. 4. Форма сигнала тока на выходе частотного преобразователя

Однако не думайте, что вы можете подключить свой соленоид к фазам выходного напряжения ЧРП. Это всё же не совсем переменное напряжение.

Миф № 2: все частотные преобразователи одинаковы

В общем виде частотно-регулируемый привод сегодня является довольно зрелым продуктом. Большинство коммерчески доступных приводов содержат одни и те же базовые компоненты: мостовой выпрямитель, блок питания, конденсаторный блок постоянного тока и плата выходного инвертора. Разумеется, существуют различия в алгоритмах управления переключением транзисторов IGBT инвертора, надежности компонентов и эффективности схемы теплового рассеивания. Но основные компоненты остаются прежними.

Есть также исключения. Например, в некоторых ЧРП инвертер имеет три вывода. Такая схема позволяет выходным импульсам варьироваться от половинного до полного импульса сигнала напряжения (см. Рис. 5).

Трехуровневый выходной сигнал напряжения

Рис. 5. Трехуровневый выходной сигнал напряжения

Для достижения трехуровневого выходного сигнала звено инвертора должно иметь в два раза больше выходных переключателей, а также запирающих диодов (см. Рис. 6). Преимущества трехуровневой схемы заключается в уменьшении перенапряжения на двигателе из-за гармонических волн, снижении синфазных помех, а также снижении паразитных токов на валах и подшипниках.

Схема трехуровневого инвертора

Рис. 6. Схема трехуровневого инвертора

Матричный инвертор является еще более нетипичным типом ЧРП. Частотные преобразователи с матричными инверторами не имеют шины постоянного тока или мостового выпрямителя. Вместо этого они используют двунаправленные переключатели, которые могут подключать любое из входящих фазных напряжений к любой из трех выходных фаз (см. Рис. 7). Преимущество этой схемы заключается в том, что мощность может свободно протекать от сети к двигателю или от двигателя к сети для рекуперативного привода постоянного тока. Недостатком является то, что на входе необходима установка фильтра, для обеспечения дополнительной индуктивности и фильтрации формы ШИМ, чтобы исключить негативное влияние на питающую сеть.

Схема матричного ЧРП

Рис. 7. Схема матричного ЧРП

Кроме частотных преобразователей с трехуровневыми выходами и инверторами матричного типа существуют также и другие типы частотно-регулируемых приводов. Таким образом миф о том, что все частотные преобразователи одинаковые развеян.

Миф № 3: Частотный преобразователь компенсирует коэффициентом мощности.

Нередко можно увидеть, что производители частотных преобразователей заявляют значение коэффициента мощности, например, равным 0,98 или почти 1. Действительно коэффициент мощности несколько улучшается после установки ЧРП перед асинхронным двигателем. ЧРП компенсирует реактивную мощность за счет конденсаторного звена. Однако полностью компенсировать фазовый сдвиг преобразователь частоты не может.

Полный коэффициент мощности должен включать реактивную мощность, вызываемую гармониками, создаваемыми в звене постоянного тока. Причиной является работа диодного моста. Важно помнить, что диод работает только тогда, когда напряжение на стороне анода выше, чем напряжение на стороне катода (прямое смещение). Это означает, что диоды открыты только на пике каждой временной фазы как положительной, так и отрицательной частей синусоидальной волны. Это приводит к волнообразной форме волны. Это также приводит к искажению входного тока и прерыванию (см. Рис. 8).

Форма сигналов после выпрямителя

Рис. 8. Форма сигналов после выпрямителя

Чтобы вычислить истинный полный коэффициент мощности (PF), необходимо учесть эффекты гармоник. Следующее уравнение показывает, как гармоники влияют на полный коэффициент мощности:

уравнение показывает, как гармоники влияют на полный коэффициент мощности

где THD = суммарное гармоническое искажение

Для прерывистого сигнала входного тока в уравнении THD будет находиться в районе 100% или более. Подставляя это в уравнение, получаем истинный коэффициент мощности PF ближе к 0,71, по сравнению с заявленным 0,98, который не учитывает гармоники.

Но не всё так плохо. В настоящее время существует множество способов гармонические искажения, создаваемые в звене постоянного тока. Они используют как пассивные, так и активные методы подавления искажений входного сигнала. Так, например, вышеупомянутый матричный преобразователь частоты является примером активного метода подавления гармонических искажений.

Миф № 4: С частотным преобразователем Вы можете эксплуатировать двигатель на любой скорости.

Особенность применения частотных преобразователей заключается, что они могут изменять как напряжение, так и частоту выходного сигнала. Благодаря возможности обеспечения требуемой скорости вращения электродвигателя ЧРП нашли широкое применение во всех сферах экономики и всех отраслях промышленности ЧРП может легко выдавать сигнал любой частоту в пределах предусмотренного изготовителем диапазона регулирования. Однако необходимо учитывать, что частотный преобразователь работает в составе электродвигателя в реальных условиях. Технологические требования, такие как необходимый крутящий момент, охлаждение, требуемая мощность так или иначе ограничивают фактический диапазон регулирования преобразователя частоты.

Ограничение № 1. С точки зрения охлаждения электродвигателя, низкая скорость вращения — это не очень хорошая идея. В частности, полностью закрытые вентиляторные (TEFC) двигатели имеют охлаждаются только за счет внутреннего вентилятора, который вращается вместе с валом двигателя. Чем медленнее скорость вращения двигатель, тем меньше поток воздуха и тем хуже охлаждение. Закрытые двигатели обычно не рекомендуются эксплуатировать с частотой ниже 15 Гц (диапазон скоростей 4:1).

Ограничение № 2: Электродвигатели имеют определенные ограничения диапазона скоростей, связанные с механическими и динамическими ограничениями нагрузок вращающихся частей. Обычно эта скорость называется максимальной безопасной частотой вращения. Данная характеристика не всегда указывается на шильдике мотора.

Читайте также:  Трансформатор тока 10000 вольт

Ограничение № 3: При достижении максимальной частоты вращения крутящий момент двигателя может снижаться. Это ограничение скорости связано с ограничением мощности, которое включает в себя скорость вращения и крутящий момент. Если быть еще точнее, что будет снижаться напряжения ЧРП. Обратите внимание, что вращение двигателя также генерирует собственное напряжение, называемое обратной электродвижущей силой (ЭДС), которое увеличивается со скоростью. Обратная ЭДС создается двигателем, чтобы противостоять приложенному напряжению от ПЧ. На более высоких скоростях ПЧ должен подавать еще большее напряжения, чтобы преодолеть обратную ЭДС, и ток мог протекать по обмоткам двигателя, создавая крутящий момент. После определенного максимального значения преобразователь частоты не может преодолеть обратную ЭДС электродвигателя, и, следовательно, крутящий момент двигателя уменьшается, что, в свою очередь, снижает скорость. Снижение скорости опять приводит к более низкой обратной ЭДС, которая, в свою очередь, позволяет протекать току в двигатель снова. Существует точка равновесия, в которой двигатель достигает максимальной скорости при максимальном крутящем моменте.

Как упоминалось выше ЧРП может создавать крутящий момент на двигателе, сохраняя постоянство отношения V/f (см. Рис. 9).

График зависимости напряжения от частоты

Рис. 9. График зависимости напряжения от частоты

Когда частота выходного сигнала увеличивается, напряжение увеличивается линейно. Проблема возникает, когда частота превышает номинальную частоту двигателя. Помимо номинальной частоты, не может увеличиваться выходное напряжение, что соответственно приводит к уменьшению отношения V / f. Отношение V / f является мерой напряженности магнитного поля в двигателе и влияет на его крутящий момент. Следовательно, способность мотора создавать номинальный крутящий момент при частоте выше номинальной должна уменьшаться со скоростью 1 / частота, при этом произведение крутящего момента и частоты, равное мощности, является постоянным. Область работы над номинальной частотой называется постоянным диапазоном мощности, а работа на скоростях ниже номинальной — диапазоном постоянного крутящего момента (см. Рис. 10).

Графики зависимости мощности и крутящего момента электродвигателя от частоты

Рис. 10. Графики зависимости мощности и крутящего момента электродвигателя от частоты

Миф № 5: Входной ток преобразователя частоты выше выходного тока

Возможно, это не миф, а недоразумение. Некоторые пользователи ПЧ измеряют значение выходного и входного тока с помощью измерительного инструмента или с помощью мониторов ПЧ и обнаруживают, что входной ток намного ниже выходного. Это похоже не согласуется с идеей о том, что частотный преобразователь должен иметь некоторые потери и поэтому вход всегда должен быть немного выше, чем выход. Концепция правильная, но она учитывает мощность, а не ток, который следует учитывать:

Входное напряжение всегда находится под напряжением переменного тока. Выходное напряжение изменяется со скоростью по образцу V / f. На самом деле компоненты уравнения немного сложнее. Но ключом к пониманию данного процесса является знание того, что асинхронный двигатель имеет два токовых компонента: один отвечает за создание магнитного поля в двигателе, которое необходимо для вращения двигателя; а второй — ток, создающий крутящий момент, который, как следует из названия, отвечает за создание крутящего момента.

Привод потребляет входной ток, пропорциональный активному крутящему моменту двигателя. Ток, необходимый для создания магнитного поля, обычно не изменяется со скоростью и обеспечивается основными конденсаторами звена постоянного тока, которые заряжаются при включении питания ПЧ. При малых значения крутящего момента выходной ток может быть намного выше, чем входной, поскольку входной ток отражает только составляющую, создающую крутящий момент плюс некоторые гармоники, но не включает ток намагничивания. Ток намагничивания циркулирует между конденсаторами шины постоянного тока и двигателем. Даже при полной нагрузке входной ток обычно будет ниже, чем ток двигателя, поскольку на входе по-прежнему нет составляющей тока намагничивания.

Помните, что в уравнении мы сравниваем входную и выходную мощности. Например, рассмотрим полностью нагруженный двигатель, вращающийся на низких оборотах. Входное напряжение номинальное, а выходное напряжение будет низким из-за низкой скорости вращения. Выходной ток в данном случае будет высокий из-за полной нагрузки на двигатель. А чтобы сбалансировать уравнение мощности, входной ток должен быть ниже выходного тока.

Узнать подробную информацию о частотных преобразователях, ознакомиться с производственной линейкой YASKAWA Вы можете у ООО «КоСПа».

Или в соответствующем разделе преобразователя YASKAWA.

Источник



10 типичных проблем с частотными преобразователями

Панель оператора для ПЧ Siemens

В процессе эксплуатации преобразователя частоты (ПЧ) рано или поздно возникают проблемы, связанные с его корректной работой. Ошибки и сбои могут происходить как при включении (настройке) частотника, так и при его эксплуатации.

При возникновении большинства ошибок преобразователь прекращает работу. Реакцию на некоторые ошибки можно программировать. Например, при возникновении сбоя ПЧ может останавливаться либо продолжать работать, выдав сообщение о неисправности. В некоторых частотных преобразователях существует так называемый «пожарный режим», когда ПЧ работает, несмотря на проблемы, вплоть до поломки и возгорания.

Для начала рассмотрим типичные сообщения об авариях и ошибках ПЧ, которые отображаются на экране пользователя. Отметим, что большинство этих сообщений передаются по каналу связи (если он присутствует) в контроллер и соответствующим образом обрабатываются.

1. Перегрузка по току

Код на дисплее: OC (Over Current). Это сообщение говорит о том, что выходной ток преобразователя частоты превысил допустимое значение. Если данная ошибка появилась при первом пуске ПЧ, необходимо проверить соответствие номинального тока частотника номинальному и реальному току двигателя – возможно, произошло замыкание внутри двигателя. В некоторых типах ПЧ перегрузка OC может разделяться на 3 разных ошибки – перегрузка по току при разгоне, при торможении, при работе на постоянной скорости.

2. Перегрузка

Код на дисплее: OL (Over Load). Данное сообщение связано с предыдущим и в некоторой степени дублирует его. Сообщение OL может высвечиваться из-за срабатывания внутренней электронной тепловой защиты двигателя, либо из-за превышения механической нагрузки на двигатель (превышения момента). Уровень перегрузки устанавливается при настройке частотного преобразователя, причем задаются как уровень тока (в амперах или процентах), так и время реакции в секундах.

3. Превышение напряжения

Код на дисплее: OV (Over Voltage). Это сообщение появляется, когда напряжение на звене постоянного тока превышает допустимый порог. В первую очередь данная ошибка возникает во время торможения, когда электродвигатель входит в режим генерации электроэнергии. Эту проблему можно решить несколькими способами – увеличить время торможения, применить тормозной резистор, отключить торможение (остановка двигателя на свободном выбеге), поднять предельный уровень ограничения перенапряжения при наличии соответствующей возможности.

4. Низкое напряжение

Код на дисплее: LV (Low Voltage). Данное сообщение может появиться, когда напряжение на звене постоянного тока падает ниже установленного порога. Возможные причины: пониженное напряжение в сети, пропадание одной из фаз. К слову, частотный преобразователь может продолжать работать без одной или даже двух фаз, если подключенный двигатель допускает работу на пониженной мощности и отключено обнаружение пропадания фазы.

5. Перегрев ПЧ

Код на дисплее: OH (Over Heat). Это сообщение говорит о том, что температура ПЧ слишком высока. В первую очередь следует проверить исправность внутренних вентиляторов преобразователя и прочистить его сжатым воздухом. Также необходимо проверить отвод тепла от ПЧ, температуру и циркуляцию воздуха внутри электрошкафа. Возможно, потребуется установить дополнительное охлаждение или уменьшить нагрузку.

Мы перечислили лишь основные сообщения о неисправностях. Их число может доходить до нескольких десятков, что позволяет точнее настраивать работу преобразователя и диагностировать неисправности. В различных моделях ПЧ эти сообщения могут индицироваться по-разному, например, в частотнике ProStar PR6000 они выглядят как Er01, Er02, и т.д., но смысл имеют аналогичный.

При ряде неисправностей преобразователей частоты сообщения на экране не выводятся. В основном, это связано с проблемами питания или с фатальными сбоями в работе ПЧ. Кроме того, если существуют проблемы с первоначальным запуском, то есть вероятность ошибки в подключении цепей управления (запуска). Рассмотрим подробнее такие неисправности.

6. Двигатель не запускается

Шаг 1. Проверяем подключение питания и электродвигателя. Шаг 2. Проверяем цепи запуска. В некоторых моделях ПЧ для запуска двигателя необходимо активировать более одного входа, например, «Пуск» и «Вперед», а также вход разрешения работы. Шаг 3. Проверяем способ задания частоты. Проще всего активировать и задать скорость вращения в панели управления, а затем, после устранения проблем, переключиться на задание скорости с внешнего источника.

7. Двигатель вращается в неправильном направлении

Чаще всего в приводах используется «правое» вращение двигателя. Изменить направление вращения можно двумя способами.

  • Аппаратный способ. Необходимо поменять любые две фазы питания двигателя на выходе ПЧ.
  • Программный способ. Необходимо изменить направление вращения в соответствующем меню («Forward/Reverse»).

8. Двигатель не вращается с нужной скоростью

Причиной может быть неверное задание частоты, либо слишком большая нагрузка на двигатель (при неправильной уставке защиты). Также существует вероятность неверной установки значений верхней и нижней границ выходной частоты.

9. Проблемы с разгоном и торможением

Если двигатель слишком медленно разгоняется, и время разгона существенно превышает установленное, есть вероятность, что срабатывает функция токоограничения при разгоне. Если же двигатель слишком долго тормозит, то необходимо проверить в меню преобразователя настройки такого параметра, как ограничение перенапряжения, и убедиться в правильности подключения тормозного резистора.

10. Слишком большой ток и температура двигателя

Перегрев электродвигателя является следствием чрезмерной нагрузки на его валу. Следует принять меры по защите двигателя и частотного преобразователя путем настройки соответствующих параметров через меню.

В общем случае при возникновении неисправностей в работе преобразователя частоты следует обратить внимание на температуру двигателя и сообщения на экране, а также обратиться к руководству по эксплуатации.

Источник