Інструкція як правильно підібрати перетворювач частоти та на що звернути увагу

Для початку, коротко про те, що таке перетворювач частоти. Перетворювач частоти, або частотний перетворювач напруги – саме така його повна назва, адже це статичний, електротехнічний, перетворювальний пристрій, який перетворює постійну частоту електричного струму мережі  (в нас 50 Гц), в змінну (від 0 Гц до необхідної нам), змінюючи не тільки частоту, а й формуючи на виході необхідну амплітуду напруги задля забезпечення підтримки тої чи іншої необхідної нам частоти. 

В переважній більшості  «Частотник» використовується для регулювання частоти обертання електричних двигунів змінного чи постійного струму, для значного зменшення пускових струмів,  збільшення життєвого циклу механічних вузлів із за плавного регулювання швидкості двигуна, збільшення ККД асинхронного двигуна за рахунок збільшення його ковзання, можливість реалізувати будь яку систему автоматичного керування з одночасно значною економією та контролем електроенергії.

Як же ж, технічно правильно, підібрати перетворювач частоти для конкретно Вашої задачі, не переплатити гроші за непотрібний функціонал, та бути впевненим, що вкладені гроші та час окупляться в найкоротші терміни, а сам перетворювач частоти буде слугувати довгий час.

Почну з того, що нажаль, на ринку України, зараз представлено дуже багато неякісних виробників частотних перетворювачів, і за часту, ми чуємо від людей, що навіщо мені платити 20 тисяч гривень за перетворювач який ви пропонуєте, якщо є ось вдвічі дешевший «назву його Хуанджоу» і який також називається перетворювачем частоти, і наче, нічим не відрізняється. І нажаль більшість вибирають, не розуміючи наслідків - «Хуанджоу». В кінцевому випадку, через деякий час, «наївшись Хуанджоу», ці люди повертаються до нас. Чому так виходить, а тому що зовні людина бачить оболонку/коробку, яка нічим не відрізняється від дорогого аналогу частотника, але якщо заглянути «під капот», то ми побачимо дешеві китайські, а в деяких випадках ще й таке враження , що «в ручну наліплені» комплектуючі. Відповідно такі комплектуючі, по перше довго не живуть, а по друге Ви отримуєте неякісне керування Вашим двигуном, що призводить до його швидкого старіння і виходу з ладу. Тому, рекомендуємо, купувати одноразово якісні перетворювачі частоти і звертати увагу на запасні можливості постачальника, це дасть Вам впевненість в довгих роках роботи Вашого електроприводу в цілому, а найголовніше мінімізацію простою критично важливих вузлів виробництва, водопостачання чи будь чого іншого. Як показала практика, вибираючи перевірений, не дешевий перетворювач частоти, Ви зекономите в двічі-тричі більше коштів, а також часу на обслуговування з розрахунку на довготривалий термін експлуатації. А купуючи дорогий ПЧ Ви отримаєте ще й зручний, інтуїтивно зрозумілий інтерфейс пульта керування, що дасть змогу налаштовувати та моніторити стан приводу без тривалого сидіння за книжкою з експлуатації. Для спеціалістів з електроприводу та інженерів електриків - це все рівно, що пересісти з Жигулів на Мерседес.

Вибір перетворювача частоти, доволі не просте завдання для людей/спеціалістів з не профільними знаннями, тому нижче приводимо коротку інструкцію на що необхідно звернути увагу по порядку: 

1.    Вибір перетворювача частоти починається, в першу чергу, з його напруги живлення. На даний момент існує два типи живлення: однофазне 220В (два проводи, фаза L і нульовий провід N), зазвичай це побутова напруга живлення та промислове трифазне 380В, 690В або більше (три або чотири проводи: фази L1, L2, L3 з системою заземлення TN-Net або IT-Net).

2.    Ступінь захисту по IP. Зазвичай перетворювачі частоти мають ступінь захисту IP20, яка не дозволяє використання перетворювача частоти (ПЧ) в забруднених ти вологих приміщеннях чи на вулиці. Тому завжди звертайте увагу на те, де Ви збираєтесь експлуатувати ПЧ та яке, відповідно, буде навколишнє середовище. ПЧ бувають високого ступеню захисту до IP66 (більш детально не є проблемою знайти в Інтернеті інформацію по різним ступеням захисту). Звісно ПЧ з високим ступенем захисту дорожчі, але в багатьох випадках відпадає необхідність в затратах на супутні комплектуючі, а також величезною перевагою є економією часу на монтаж та ввод в експлуатацію.

3.    Після того, як вияснили, де будемо використовувати та якою напругою будемо живити перетворювач частоти , наступним етапом, йде розуміння типу електродвигуна (двигун трифазний чи однофазний, двигун змінного струму чи постійного, двигун синхронний чи асинхронний) та його номінального струму, який завжди вказаний на фірмовій табличці, прикріпленій на корпусі двигуна. Саме номінальний струм в амперах, а не потужність в кіловатах є оприділяючим фактором для вибору перетворювача частоти. Тому, що спеціаліст з електроприводу знає, що перетворювач частоти не має, як такого, розуміння потужності, в нього є довготривалий, номінальний струм, при якому перетворювач, при певній температурі навколишнього середовища, може працювати постійно без помилок. І цей номінальний струм, який також вказаний на фірмовій табличці чи в керівництві з експлуатації перетворювача, має бути більший за номінальний струм електродвигуна. Якщо, по якійсь причині, фірмова табличка двигуна відсутня, простим варіантом є замір струмовими кліщам робочого струму двигуна в роботі з максимальним навантаженням, ввімкненим безпосередньо напряму в мережу.

4.    Наступний етап - це вибір перетворювача частоти за характером навантаження. Якщо Ви вже помітили, то майже кожен перетворювач частоти, має можливість короткочасної роботи зі струмом вище за свій номінальний (перевантажувальна здатність 110%-200% від номінального струму протягом певного часу). Деякі перетворювачі мають можливість перемикання перевантажувальної здатності (в каталогах/інструкціях це виглядає як «тяжкий/легкий режим запуску»; «Light/Normal/Heavy Duty» режими і так далі) і кожному такому режиму відповідає певний номінальний довготривалий стуму та певний рівень короткочасного перевантаження по струму. Це зроблено для того, щоб один і той самий ПЧ був універсальним і підходив для будь якого характеру навантаження. Тому, що кінцевим результатом, являється ж не просто регулювання частоти обертання двигуна, а виконання певного технологічного процесу – приведення в рух конкретного механізму. А для того, щоб привести в рух конкретний механізм який має вагу, має свій момент інерції, а також вже завантажений (наприклад кран піднімає певний вантаж), необхідно прикласти достатню силу (силу струму) для забезпечення необхідного крутного моменту задля зрушення з місця того чи іншого механізму під навантаженням. Для цього й слугує перевантажувальна здатність ПЧ – той необхідний, короткочасний запас по струму при розгоні/гальмуванні  чи в процесі динамічного регулювання частоти обертання двигуна, який дозволяє ПЧ працювати без зупинки. Простіше кажучи, якщо технологічний процес припускає можливість дуже плавного розгону не завантаженої системи, типу насосів, вентиляторів чи механізмів без різкого, великого та динамічного навантаження, можна використовувати ПЧ з не високою перевантажувальною здатність 110-120% від номінального струму протягом 1 хвилини. Але якщо, необхідно, наприклад, керувати двигунами кранів, компресорів, екструдерів чи інших механізмів, які мають початковий великий чи динамічний характер навантаження, високий момент інерції чи необхідно розігнати двигун за короткий проміжок часу, тоді існують перетворювачі з перевантажувальною здатністю не менше 150% протягом 1 хвилини. В деяких випадках необхідно вибирати перетворювач частоти на ступінь вище по потужності а ніж потужність двигуна, наприклад в роботі з високомоментними 6-ти та більше полюсними двигунами, в яких номінальний струм завжди вищий за номінальний струм аналогічного по потужності але 4-ох або 2-ух полюсного двигуна, а також в роботі, наприклад кранів, де необхідно швидко і часто розганяти двигун, та й температура навколишнього середовища може досягає 40 та більше градусів.

5.    Наступним, не менш важливим етапом, є вибір супутнього обладнання (силових аксесуарів) до перетворювача частоти. А саме вхідних/вихідних дроселів та фільтрів, без яких ПЧ, на перший погляд, наносить непомітну шкоду як мережі живлення так і підключеному до нього двугуну/ів. Перетворювачі побудовані на напівпровідникових пристроях, які коротко кажучи, випромінюють високочастотні електромагнітні шуми та гармоніки струму назад в мережу, а на виході видають широтно-імпульсну синусоїду, яка з часом руйнує обмотки двигуна. Ці фактори особливо помітні на високих потужностях від 30 кВт. Відомі виробники вбудовують фільтра ЕМС і дроселя в ланку постійного струму вже в корпус ПЧ і таким чином хоч якось захищають мережу живлення. Але й цього може бути замало, якщо ми хочемо захистити ПЧ від негативного впливу мережі живлення, наприклад перекосів фаз чи імпульсного сплеску напруги – тут допоможе зовнішній мережевий дросель. Вбудований фільтр ЕМС також не завжди підійде до деяких умов експлуатації і знадобиться зовнішній фільтр ЕМС. А зі сторони виходу існують також різні види захисту двигуна: моторний дросель, фільтр dU/dt, синусний фільтр (більш детально допоможе розібратись наш спеціаліст на приватній консультації по конкретному застосуванню).

6.    Необхідність швидкого гальмування двигуна. В деяких застосуваннях необхідно за лічені секунди загальмувати двигун з високою інерцією навантаження, або необхідно різко зменшувати частоту обертання двигуна з високою інерцією навантаження. В таких випадках може знадобитись гальмівний резистор, який розсіює надлишкову енергію в процесі гальмування у вигляді тепла, в іншому випадку частотник може сваритись по перенапрузі ланки постійного струму, а в деяких випадках при перегріві, й взагалі вийти з ладу. Також для таких завдань, при виборі ПЧ, необхідно звернути увагу чи є вбудований в ПЧ гальмівний модуль (ще називають гальмівний ключ або чоппер). Зазвичай гальмівні модулі, до яких можна під’єднати гальмівний резистор, вбудовуються в ПЧ до 22 кВт, а 30 кВт і вище - використовуються додаткові опційні гальмівні модулі, звісно за додаткову плату. Вибір резистора в наступній статті.

7.    Наступним, одним з найголовніших аспектів, є те, з якою точністю частотний перетворювач здатен керувати двигуном і якими типами двигунів. Це залежить від закладеного в прошивці ПЧ типу керування. Не вдаючись в деталі, загалом розрізняють три типи (закони) керування: скалярний U/f, векторний без датчика зворотного зв’язку та векторний з датчиком зворотного зв’язку (енкодером, який знаходиться на валу двигуна та вимірює його кут повороту).   

Скалярний U/f – найпростіший тип керування, в якому зберігається постійне співвідношення напруги/частоти, тобто для кожного значення частоти, перетворювач надає конкретну величину напруги. Перетворювачі зі скалярним типом керування здатні регулювати частоту обертання тільки асинхронних двигунів з КЗ ротором, та найголовнішим недоліком такого типу є нездатність підтримувати якісно момент на валу двигуна при навантаженні яке постійно змінюється, особливо на швидкостях нижче номінального. Але є й переваги: по перше такі ПЧ прості в налаштуванні, так як не потребують знання багатьох характеристик двигуна, а по друге мають можливість приводити в рух декілька двигунів одночасно, що під’єднані паралельно до одного ПЧ.

Векторний без зворотного зв’язку або SVC (Sensorless Vector Control) – векторне керування без використання датчика зворотного зв’язку, найрозповсюдженіший тип керування сьогодні, в якому закладені математичні моделі асинхронного, синхронного двигуна з постійними магнітами та адаптивний регулятор струму (хоча треба замітити, що не всі ПЧ з векторним керуванням вміють керувати також синхронними двигунами). Тому даний тип керування потребує знання багатьох номінальних параметрів двигуна (напругу, потужність, струм, частоту, частоту в об/хв, кількість полюсів), які зазвичай представлені на фірмовій табличці. Даний тип керування застосовується, коли потрібна більша точність регулювання швидкості, підтримання достатнього моменту на валу двигуна в широкому діапазоні регулювання (в тому числі й близькому до нуля), а також швидка реакція на різку зміну навантаження. Контролер векторного керування неперервно вимірює й оцінює струми фаз двигуна, які зводяться в результуючий вектор струму статора, направлений в необхідну сторону і який має необхідну амплітуду. Тобто перетворювач частоти керує вектором струму статора двигуна так, щоб він знаходився під кутом 90о до магнітного поля статора. Перетворювачі з векторним керуванням здатні керувати, на відміну від скалярного, тільки одним під’єднаним двигуном, що являється єдиним їхнім недоліком.

Векторне керування з датчиком зворотного зв’язку – векторне керування того ж принципу дії, що й без зворотного зв’язку, але доповнене датчиком швидкості (енкодером), який  повідомляє перетворювачу положення ротора двигуна. Зазвичай для реалізації такого типу керування, перетворювачі додатково комплектуються спеціальними платами розширення для конкретного типу енкодера. В додаток до всіх переваг, що й при векторному SVC, тип керування з енкодером має найвищу точність регулювання швидкості, за рахунок неперервного відслідковування положення валу двигуна. Недоліками, порівняно з іншими типами керування, є найбільша вартість та складність з вводом в експлуатацію, яка потребує глибших знать в теорії електроприводу.

8.    Коли всі основні, так би мовити, силові характеристики визначені, необхідно визначитись як саме ми будемо здійснювати керування перетворювачем частоти. Основне - це з яких джерел задавати команди ПУСК/СТОП/РЕВЕРС, звідки задавати сигнали на відпрацювання певної швидкості та які вихідні сигнали нам потрібні для моніторингу чи реалізації якоїсь подальшої системи керування.
Найпростіше - це здійснення керування безпосередньо з пульта керування, який, зазвичай, йде в комплекті з ПЧ. В цьому випадку необхідно звернути увагу на наявність необхідних нам кнопок та наявності потенціометру для регулювання частоти обертання. Також, якщо необхідно винести пульт керування куди інде, звернути увагу на допустиму відстань виносу пульта, ступінь захисту відповідно до навколишнього середовища та й взагалі чи можливо від’єднати пульт від ПЧ (є багато ПЧ з незнімним пультом керування). До замовити необхідний монтаж ний комплект, який не поставляється, зазвичай, в стандартній комплектації ПЧ.

Інша справа, якщо необхідно реалізувати зовнішнє керування перетворювачем частоти, наприклад який схований в шафі керування чи віддалений на певну невелику відстань. Тут вже складніше, так як необхідно скласти технічне завдання й визначитись з кількістю необхідних вбудованих в ПЧ дискретних та аналогових ВХОДІВ/ВИХОДІВ ти їх типів. В даному випадку допоможе схема ПЧ представлена в кожному керівництві з експлуатації до будь якого ПЧ.

І третій спосіб, який рахується не менш складним за другий, це реалізація керування, яке дозволяє керувати ПЧ на великій відстані за допомогою того чи іншого комунікаційного мережевого протоколу зв’язку та ще просто по одному під’єднаному кабелю. Складність такого методу в тому, що для його реалізації необхідні не тільки вище стоячі пристрої, типу контролерів (ПЛК), комп’ютерів, чи панелей оператора HMI, а й поглибленні знання з програмування. Основне на що треба звернути увагу при виборі ПЧ, це який протокол зв’язку є в нього на борту, заздалегідь визначившись по якому протоколу буде передача даних або з яким протоколом, наприклад, працює наша панель оператора чи ПЛК. Багато перетворювачів частоти поставляються в стандартній комплектації  ще зі старим добрим протоколом Modbus RTU. Зазвичай інші протоколи зв’язку, такі як Profibus, CANopen, Ethernet (діляться на різні типи) та інші, виробники перетворювачів частоти розробили додаткові модулі розширення, які при необхідності, можна докупити в постачальника до доставити в спеціальні слоти на ПЧ.

При виникненні складнощів з вибором ПЧ, або якщо у Вас є ще запитання, які не зачеплені в даній статті, прошу звертатись за нашою контактною інформацією.