Что такое «частотник» и зачем он нужен

 Прежде чем рассказывать о частотнике, я очень коротко расскажу про асинхронный электродвигатель. Потому что он и есть само блюдо, а частотник - это лишь соус к нему, но зато какой с-о-у-с!.

Асинхронный электродвигатель (АД) на вид - это железная болванка содержащая внутри немного медного провода (обмотку статора), на которую подают напряжение и он начинает почему-то быстро вращаться. Но это только на вид, а в институте КПИ (ныне университет), шесть лет учат специалистов по электрическим машинам, и я уверен что основная часть выпускников так до конца и не понимает работу АД в различных режимах, что уж говорить о других специалистах. В этой статье не будут рассматриваться все сложности и многочисленные формулы описывающие работу АД, здесь мы рассмотрим только некоторые конкретные особенности в поведении асинхронного двигателя (АД) вообще, а также под управлением частотного преобразователя.

Асинхронные эл.двигатели в промышленности нашли самое широкое применение и встречаются почти везде, за исключением тех случаев, когда к приводу предъявляются особые требования, которых асинхронный электропривод не в состоянии выполнить. По этой причине спроектировано и выпускается множество различных типов электродвигателей, но всех их будет объединять одно, они имеют гораздо большую сложность, а следовательно и более высокую стоимость в изготовлении и меньшую надежность в процессе эксплуатации. Асинхронный электродвигатель очень просто устроен и состоит из статора (в пазы которого вкладывается обмотка из медного провода) и ротора, похожего на болванку. На самом деле в массивной железяке ротора есть пазы в которые залит алюминий, а по торцам алюминиевые кольца с лопатками для вентиляции воздуха внутри эл.двигателя. Этот алюминий и является обмоткой ротора, которая на практике очень редко выходит из строя. В зависимости от применяемой изоляции медного провода и изоляции в пазах статора асинхронные двигатели разделяются на классы по нагреву, класс «В» - это допустимая температура внутри обмотки статора 130 градусов, далее идут классы С, D, Е, F, H. Класс « H »- это температура внутри обмотки более 180 градусов. За многие годы в промышленности было выпущено много серий асинхронных двигателей, они отличаются марками стали, габаритами, видом исполнения (даже есть зависимость от территорий для их применения (в Африке круглый год жарко, в море много воды и соли и т.д.). На всех электродвигателях есть табличка с параметрами. Там указывается в первую очередь напряжение сети. По этому принципу у нас двигатели разделяются на однофазные и трехфазные. Лучшим является трехфазный, но имеют только один недостаток – не везде есть возможность подключиться к трехфазной сети. Именно по этой причине выпускаются и однофазные двигатели, но в силу своей конструкции получить синусоидальное вращающееся магнитное поле в воздушном зазоре такого двигателя практически не возможно. По этому они состоят из двух обмоток, где одна обмотка рабочая, а вторая пусковая (пусковая часто остается быть включенной после пуска). На пусковую обмотку чаще всего напряжение подается через последовательно включенный конденсатор, который дает сдвиг по фазе. В таком случае суммарное поле от двух обмоток уже является эллиптически вращающимся (но по всем параметрам такое поле сильно уступает практически идеальному синусоидальному полю трехфазного двигателя). Вращающееся поле заставляет ротор вращаться, как бы увлекая его за собой. Величина емкости конденсатора зависит от того, как будет загружен двигатель и для пуска она нужна одна, для номинальной нагрузки - другая и т.д. Не правильно подобранная емкость может привести к перенапряжению как на пусковой обмотке, так на самом конденсаторе, или чрезмерно большому току пусковой обмотки, что в конечном итоге будет заканчиваться аварией. Я не буду рассказывать далее про однофазные двигатели, поскольку частотные преобразователи с ними не работают и нас они в этой статье не интересуют.

Когда на двигатель подается переменное напряжение, то по обмотке статора протекает ток. Каждый двигатель имеет свое значение номинального тока (указывается на табличке двигателя). Именно ток протекающий по обмотке статора выделяет львиную долю тепла в эту обмотку, и если этого тепла больше чем обмотка в состоянии отдать его железу статора и далее в воздух окружающей среды, то происходит перегрев обмотки (сгорает изоляция и далее короткое замыкание, - бабах и пробки выбило, если они вообще конечно были) . Такой двигатель после этого или выбросить или отвезти на перемотку, если обмотчик умелый и грамотный и водкой не злоупотребляет. Поэтому нужно следить за тем, чтобы ток двигателя не превышал номинального значения, на практике многие годы применялись, и применяются по сей день, тепловые реле (теплушки) как минимум на двух фазах. Но очень часто эти реле стоят там только для виду, поскольку величину тока их срабатывания не регулируют, а она может намного превосходить величину номинального тока двигателя.

Если двигатель остановлен и на него подали номинальное напряжение, то по обмотке статора протекает так называемый пусковой ток, величина которого в 5-8 раз!!! превышает номинальное значение. По этому слишком затяжной пуск, или частые пуски приводят к быстрому перегреву обмотки и аварии.

Величина тока статора сильно зависит от напряжения (его величины и частоты), а также от скорости вращения ротора (от нагрузки). Чем больше напряжение, тем больше ток и чем меньше частота, тем тоже больше ток. Также и с ротором, чем больше разница в скоростях ротора и вращающегося магнитного поля, тем больше ток. Именно по последней причине пусковой ток во много раз превышает номинальное значение. Нагрузочная характеристика асинхронного электродвигателя довольно таки жесткая (если колебания нагрузки изменяются от нуля и не намного превышают номинальный крутящий момент). Если же момент на нагрузке превысит так называемое максимальное критическое значение, то произойдет резкое падение скорости и сильное увеличение тока статора. В таком режиме двигатель сгорит и другого выхода у него нет (разве, что только отключить его от сети кто-то догадается). Вот и получается, что скорость вращения асинхронного электродвигателя практически не измена, если постоянными остаются параметры поданного на него напряжения (а именно частота, которая определяет скорость вращения магнитного поля внутри электродвигателя). Именно эта жесткость характеристики и ограничивала использование асинхронного электродвигателя в приводах, где требовалась регулировка скорости. С годами полупроводниковая техника достигла таких уровней развития, что стало возможным делать преобразователи частоты компактных размеров и по приемлемым ценам. Ведь эти преобразователи делались и раньше, но с их габаритами могли состязаться только их цены. Те и другие имели ну очень внушительный вид. Я верю, что пройдут года и размеры частотных преобразователей будут настолько маленькими, что их спокойно можно будет встраивать в клемные коробки электродвигателей, но это в будущем.

Многие не понимают разницы между моментом и мощностью:

Момент - это можно сказать сила, с которой ротор крутит приводимый механизм (или может крутить). Если рассматривать электродвигатель подключенный к сети 380 Вольт и 50 Герц то видно, что ротор вращается на холостом ходу со скоростью немного меньше чем скорость вращения магнитного поля (разница этих скоростей около 1%) и никогда ее не достигнет (иначе это будет противоречить самому принципу работы асинхронного электродвигателя). Если нагрузку на валу двигателя увеличивать, то ток статора будет расти, а вот скорость будет изменяться очень мало, даже при полной 100% нагрузке скорость асинхронного электродвигателя изменится от скорости холостого хода где-то на 1% или чуть больше. Такое поведение двигателя называют жесткой механической характеристикой и она свойственная всем асинхронным двигателям. При дальнейшем увеличении нагрузки, когда момент превысит критическое значение, идет резкое падение оборотов и резкое возрастание тока статора и такой режим работы недопустим.

Мощность – это количество работы выполненое за единицу времени (1ват = 1 джоуль /за 1секунду). Если двигатель начинает разгоняться и на его валу будет поддерживаться постоянный момент, то мощность двигателя (полезная мощность на валу) будет линейно возрастать от « 0 » до номинального значения. В начале нуль, потому что ротор неподвижен и он не отдает никакой энергии, не взирая на наличие крутящего момента. Можно выразиться еще и так, он может отдать но пока не отдает, а вот когда начнет крутиться тогда пойдет и отдача, и чем быстрее крутимся, тем больше отдаем). Мощность еще выражается формулой, как произведение момента на скорость. В двигателе следует различать два вида мощности:

первая – это мощность потребляемая из сети, она вычисляется как :

Р₁=  1,73 * U_{л *} I_{ф * cos(φ)}

и вторая – это мощность на валу двигателя (отдаваемая приводу) и она вычисляется как :

Р₂ = 1,73 * U_{л *} I_{ф * cos}(φ) _{* η}илиР₂ =М_{2 *}ωгде М₂ - крутящий момент, ω –угловая скорость ротора (радиан в секунду)

U_л- линейное напряжение (380 В); I_ф – ток одной фазы ; cos (α)- косинус фазового угла между током фазы и фазным напряжением. ( _η - коэффициент полезного действия) ;

Именно по этой мощности ( Р₂ ) характеризуют двигатель. Если мы говорим, что нужен двигатель на 1,5 кВт., то подразумеваем, что этот двигатель сможет передавать приводу 1,5 кВт. мощности и при этом сам не сгорит (из сети он будет потреблять немного больше).

Разница этих мощностей выделяется в виде тепла в обмотках и в железе двигателя. Мощность на валу двигателя можно вычислить еще как произведение крутящего момента на скорость вращения. Вот и получается, если двигатель заклинило, то мощность на его валу =0, а из сети он потребляет слишком много и все идет на его нагрев.

Конечно же, такие коэффициенты, как cos(φ)и η не является постоянными и сильно изменяются в зависимости от скорости вращения ротора, которая в свою очередь зависит от нагрузки на валу, а также от величины вращающегося магнитного поля в воздушном зазоре, которое в свою очередь зависит от напряжения и частоты. Поэтому двигатели стараются проектировать так, чтобы эти коэффициенты были максимальными при режиме работы двигателя близкому к номинальному. Поэтому правильно будет выбирать двигатель с мощностью немножко больше, чем требует нагрузка. Ведь не стоит забывать, что напряжение 380 Вольт, это чисто теоретическое напряжение, на практике оно либо немного больше или немного меньше (даже ГОСТ допускает отклонения ±10% от номинального значения, а он у нас далеко не всегда выдерживается).

« Частотник », или правильнее будет частотный преобразователь, он же инвертор, в основном предназначен для регулирования скорости вращения асинхронного электродвигателя. Делает это он очень просто: сначала выпрямляет поступающее на него напряжение от сети и затем уже с выпрямленного напряжения формирует трехфазное напряжение нужной амплитуды и частоты и подает все это на электродвигатель. При этом не забывает контролировать ток электродвигателя и еще много чего (обо всех прибамбасах частотника в этой статье говорить не будем). Из всех видов электродвигателей будем рассматривать только асинхронные двигатели, это те двигатели, с которыми нам приходится обычно встречаться. Поскольку скорость асинхронного двигателя имеет линейную зависимость от частоты, а частотник ее изменяет в широком диапазоне, следовательно он может увеличивать скорость, уменьшать ее или крутить ротор в обратном направлении. В основном частотники могут регулировать частоту от 0 до 400 Герц, Но будьте осторожны с повышением частоты более 50 Герц. Во первых - при частоте более 50 Герц начнет уменьшаться крутящий момент. Во вторых - на холостом ходу этого момента может оказаться достаточно для того, чтобы разогнать двигатель так, что посыпятся подшипники или полетят куски алюминия из ротора или своим биением ротор начнет цеплять статора и будет к.з. В общем смотрите в паспортные данные электродвигателя, где производитель указывает максимально допустимые обороты.

Некоторые частотники имеют Векторный режим управления. Этот режим позволяет поддерживать постоянным крутящий момент или постоянную скорость (в зависимости от предварительно выбранных настроек). Режимы управления еще бывают и с датчиками обратной связи, когда на двигатель ставится датчик измеряющий положение ротора или его скорость. В таком режиме частотник может поддерживать скорость с очень высокой точностью. Очень хороший частотник имеет несколько сотен настраиваемых параметров и инструкция содержит более 800 страниц, правильно установить которые сможет только квалифицированный специалист. Но не надо расстраиваться, главное четко себе представлять, что Вы хотите получить от частотника и от привода в целом. Остальное время и труд помогут или же можно пригласить специалиста и воспользоваться его услугами легко и просто решить поставленную задачу. На сегодняшний день многие фирмы выпускают частотники. Японское качество электроники по прежнему остается на верху пирамиды. Комплексный подход к решаемым задачам, самые современные технология и своеобразная философия в отношении между фирмой и рабочими дает потрясающие результаты в виде готовых изделий безукоризненного качества.

Что делает частотный преобразователь начиная с момента пуска? Та совсем немного - во время старта двигателя он подает на двигатель не 50 Герц, а где-то 0,1Герца или чуть больше, и напряжение не 380 Вольт, а всего около 20 (в зависимости от настроек). В результате через обмотку статора протекает ток не превышающий своего номинального значения, а именно этот ток и создает вращающееся магнитное поле в воздушном зазоре, которое вращаясь вокруг ротора наводит в его обмотке ток который взаимодействуя с магнитным полем и создает крутящий момент. Изменяя настройки, у некоторых частотников можно достигнуть пускового момента до 200% от номинального. Далее частотник плавно увеличивает частоту и величину подаваемого напряжения и в итоге двигатель разгоняется. Здесь только нужно правильно установить параметры, чтобы в процессе разгона, времени на разгон уходило как можно меньше, а ток обмотки статора не превышал ее номинального значения и в тоже время чтобы момент на валу был достаточным. Лучшие частотники допускают перегрузку по току до 200% от номинального своего значения в течении 30 секунд. Разумеется пуски с такими токами не должны быть частыми. Более подробно управление скоростью электродвигателя на малых оборотах будет рассмотрено отдельно, там есть свои особенности. Немного хуже обстоят дела с принудительным торможением электродвигателя. При торможении электродвигатель автоматически превращается в генератор электроэнергии, а вот девать эту генерируемую энергию некуда. Часть энергии запасается в самом частотнике (при этом поднимается напряжение на внутренней шине). Если оно достигнет максимально допустимого предела, то частотник откажется дальше тормозить электродвигателя и выдаст сигнал аварии. Большинство частотников имеют внутри тормозной транзистор, с помощью которого можно выводить излишнюю энергию из частотника, но для этого нужно дополнительно к этому транзистору подключать тормозной резистор (нагревательный элемент), который крепится не далеко от частотника. Выпускается очень мало частотников имеющих встроенный тормозной резистор. Частотник вместе с тормозным резистором производит торможение электродвигателя намного быстрее, чем без резистора.

Из всего этого следует, что частотник подбирает величину напряжения в зависимости от частоты (которую он же регулирует), а в зависимости от частоты, напряжения и скорости вращения ротора в статоре потечет ток. Ток - это та величина которую частотник измеряет для своих расчетов. Ток нагревает не только электродвигателя, а также нагревает и детали частотника, которые могут перегреться, но к счастью хороший частотник очень четко измеряет и контролирует температуру своих деталей и принудительно выключится, если температура достигнет критических значений. Собственно все что измеряет частотник, это температуру своих деталей, может измерять температуру двигателя (если в двигатель встроенный термодатчик и подключен к выводам частотника), величину напряжения, величину тока и фазовый угол между ними, все остальное вычисляет по различным формулам встроенный внутри компьютер. Частоту частотники держат с очень высокой точностью, погрешность меньше одной сотой доли Герца.

Не следует путать однофазные двигатели с однофазным питанием частотника. Про однофазные двигатели вкратце было оговорено выше (это двигатель с двумя обмотками сдвинутыми в пространстве на 90 градусов), (трехфазные двигатели имеют три обмотки сдвинутые в пространстве между собой на 120 градусов). Однофазное питание частотника все равно преобразуется в постоянное напряжение на внутренней шине частотника. Далее из этого постоянного напряжения частотник будет генерировать трехфазное напряжение требуемой величины и частоты, но линейное напряжение на выходе не будет превышать 220В. Поэтому для полноценной нагрузки трехфазного электродвигателя при работе с однофазным частотником, его обмотки следует соединять в треугольник (вместо обычной звезды). Но не всякая обмотка имеет шесть выводов в клемной коробке и поэтому многие электродвигатели в принципе не смогут развивать номинальную мощность будучи подключены к однофазным частотникам. Гораздо более надежными и удобными являются частотники с трехфазным питанием 380 Вольт. Для них практически не существует перенапряжений в сети, к тому же работая от сети 380 Вольт они рассчитаны на возможность работы и от сети 460 Вольт. Больших перенапряжений в трехфазной сети практически не бывает.

У частотников с однофазным питанием запас по напряжению всего около 20 Вольт, в то время как бывают случаи попадания в эту сеть гораздо больших напряжений (вплоть до 400 Вольт), что заканчивается в таких случаях поломкой частотника (обычно что-то внутри взрывается). Очень редко выпускаются частотники имеющие однофазное питание 220Вольт и трехфазное выходное напряжение 380В. Они более сложны и гораздо дороже, поэтому выпускаются и применяются редко.