ЧРП: ключ к энергосбережению и управлению двигателем

1.Введение в приводы переменного тока (частотно-регулируемые приводы).

В сфере современного промышленного контроля и автоматизации немногие технологии оказали такое же глубокое влияние, как привод переменного тока, часто называемый частотно-регулируемым приводом (ЧРП). Эти сложные электронные устройства произвели революцию в способах управления электродвигателями, предлагая беспрецедентный уровень точности, эффективности и гибкости. От оптимизации энергопотребления на крупных промышленных предприятиях до реализации сложных движений в роботизированных системах. приводы переменного тока являются незаменимым компонентом бесчисленных приложений по всему миру.

Что такое привод переменного тока (VFD)?

По своей сути привод переменного тока представляет собой устройство силовой электроники, которое управляет скоростью и крутящим моментом электродвигателя переменного тока (переменного тока) путем изменения частоты и напряжения электрической энергии, подаваемой на двигатель. В отличие от традиционных методов управления двигателем, которые могут полагаться на механические средства или простое включение/выключение, привод переменного тока обеспечивает непрерывную и точную регулировку рабочих параметров двигателя.

Термин «частотно-регулируемый привод» (ЧРП) явно подчеркивает основной механизм управления: изменение частоты переменного тока. Поскольку синхронная скорость двигателя переменного тока прямо пропорциональна частоте приложенного напряжения и обратно пропорциональна количеству полюсов, изменение частоты позволяет плавно изменять скорость. Одновременно привод регулирует напряжение пропорционально частоте для поддержания постоянного магнитного потока в двигателе, обеспечивая эффективную работу и предотвращая насыщение.

Почему важны приводы переменного тока?

Важность приводов переменного тока обусловлена несколькими важными преимуществами, которые они предлагают по сравнению с традиционными методами управления двигателями:

• Энергоэффективность: Это, пожалуй, самое существенное преимущество. Многие промышленные приложения, такие как насосы и вентиляторы, демонстрируют «кубическую зависимость» между скоростью и энергопотреблением. Даже небольшое снижение скорости двигателя может привести к существенной экономии энергии. Приводы переменного тока позволяют двигателям работать только с той скоростью, которая необходима, что значительно снижает потребление электроэнергии и эксплуатационные расходы.
• Точный контроль: приводы переменного тока provide unparalleled control over motor speed, acceleration, deceleration, and even torque. This precision is crucial for processes requiring exact movement, such as conveyor systems, machine tools, and robotics.
• Улучшенное управление процессом: Точно регулируя скорость двигателя, приводы переменного тока способствуют повышению качества продукции, сокращению отходов и более стабильной производительности на производственных и перерабатывающих предприятиях.
• Снижение механического напряжения: Возможности плавного пуска и остановки, присущие приводам переменного тока, исключают внезапные толчки и высокие пусковые токи, связанные с прямым пуском (DOL). Это значительно снижает механическую нагрузку на двигатель, шестерни, подшипники и приводное оборудование, что приводит к увеличению срока службы и сокращению объема технического обслуживания.
• Увеличенный срок службы двигателя: Помимо снижения механического напряжения, приводы переменного тока также обеспечивают функции защиты от перегрузки по току, перенапряжения, пониженного напряжения и перегрева, что еще больше способствует долговечности двигателя.

Краткая история и эволюция приводов переменного тока

Идея изменения частоты для управления скоростью двигателя переменного тока не нова, но ее практическая реализация была сложной задачей до появления силовой электроники. Первые попытки включали громоздкие мотор-генераторные установки.

Настоящий прорыв произошел с разработкой тиристоров (SСR) в середине 20-го века, которые позволили создать первые электронные преобразователи частоты. Однако эти ранние приводы были большими, неэффективными и зачастую ограниченными в возможностях управления.

В 1970-х и 80-х годах произошел значительный прогресс с появлением тиристоров с затвором (GТO), а затем и биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT). В частности, IGBT произвели революцию в технологии приводов переменного тока благодаря высокой скорости переключения, меньшим потерям и простоте управления. Это позволило разработать более компактные, эффективные и сложные приводы, способные использовать такие методы, как широтно-импульсная модуляция (ШИМ), для генерации выходных сигналов почти синусоидальной формы.

Сегодня приводы переменного тока представляют собой высокоинтегрированные интеллектуальные устройства, включающие современные микропроцессоры, сложные алгоритмы управления (например, векторное управление и прямое управление крутящим моментом) и возможности связи. Они продолжают развиваться, становясь меньше, мощнее, энергоэффективнее и все больше интегрируются в более широкую среду промышленного Интернета вещей (Интернета вещей) и интеллектуального производства. Эта непрерывная эволюция подчеркивает их жизненно важную роль в формировании будущего промышленной автоматизации и управления энергопотреблением.

2.Как работают приводы переменного тока

Чтобы по-настоящему оценить мощность и универсальность приводов переменного тока, важно понимать фундаментальные принципы их работы. Хотя внутренняя электроника может быть сложной, основной процесс включает преобразование входящей мощности переменного тока в постоянный ток, а затем преобразование ее обратно в мощность переменного тока переменной частоты и напряжения, адаптированную для двигателя. Это преобразование происходит в несколько отдельных этапов:

Основные компоненты привода переменного тока

Большинство приводов переменного тока, независимо от их размера и сложности, имеют общую архитектуру, состоящую из четырех основных этапов:

1. Стадия выпрямителя: Преобразует входящую мощность переменного тока фиксированной частоты и напряжения в мощность постоянного тока.
2. Шина постоянного тока (или звено постоянного тока): Сохраняет и сглаживает постоянное напряжение выпрямителя.
3. Инверторный этап: Преобразует мощность постоянного тока от шины обратно в мощность переменного тока переменной частоты и переменного напряжения для двигателя.
4. Схема управления: «Мозг» привода, отвечающий за управление всеми остальными каскадами, мониторинг входов и выполнение алгоритмов управления.

Стадия выпрямителя: преобразование переменного тока в постоянный

Первым шагом в работе привода переменного тока является преобразование входного сетевого напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока. Обычно это достигается с помощью диодный мостовой выпрямитель .

• Для однофазных приводов используется двухполупериодный мостовой выпрямитель с четырьмя диодами.
• Для трехфазных приводов обычно используется шестидиодный мостовой выпрямитель, выпрямляющий все три фазы входящего переменного тока.

На выходе выпрямителя подается пульсирующее напряжение постоянного тока. Хотя в некоторых высокопроизводительных или специализированных приводах могут использоваться выпрямители с активным входом (AFE) (которые также могут возвращать энергию в сеть и уменьшать гармоники), базовый диодный выпрямитель является наиболее распространенным из-за своей простоты и экономичности.

Шина постоянного тока: сглаживание напряжения постоянного тока

После выпрямителя пульсирующее напряжение постоянного тока поступает в шина постоянного тока , также известный как звено постоянного тока. Этот этап в основном состоит из крупных конденсаторы . Эти конденсаторы выполняют несколько важных функций:

• Сглаживание напряжения постоянного тока: y filter out the ripple from the rectified DС, providing a relatively smooth and stable DС напряжение fили the inverter stage.
• Хранение энергии: Они действуют как резервуар энергии, обеспечивая мгновенный ток для инвертора во время резких изменений нагрузки и поглощая рекуперативную энергию двигателя во время замедления.
• Повышение напряжения (опционально): В некоторых конструкциях, особенно для приводов, работающих при более низких входных напряжениях, здесь может присутствовать дополнительный преобразователь постоянного тока для повышения напряжения.

Напряжение на шине постоянного тока обычно выше пикового напряжения входящей линии переменного тока (например, для входного напряжения 400 В переменного тока напряжение на шине постоянного тока будет около 540–560 В постоянного тока).

Инверторный каскад: преобразование постоянного тока в переменный ток переменной частоты

Это наиболее динамичный и ответственный этап работы привода переменного тока. Инвертор принимает плавное постоянное напряжение из шины постоянного тока и преобразует его обратно в переменный ток с переменным напряжением и, что особенно важно, с переменной частотой. Современные инверторы в основном используют Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) как быстродействующие электронные переключатели.

БТИЗ расположены в определенной конфигурации (обычно шесть БТИЗ для трехфазного выхода) и быстро включаются и выключаются в точной последовательности. Контролируя время и продолжительность этих коммутационных действий, инвертор может синтезировать сигнал переменного тока.

Схема управления: мозг привода

The схема управления это интеллект, лежащий в основе привода переменного тока. Обычно он состоит из мощного микропроцессора или процессора цифровых сигналов (DSП), а также связанной с ним памяти, портов ввода-вывода (I/O) и коммуникационных интерфейсов. Эта схема выполняет несколько жизненно важных функций:

• Получение команд: Он интерпретирует команды операторов (через клавиатуры, ЧМИ), ПЛК или других систем управления (например, задание скорости, команды пуска/останова).
• Мониторинг обратной связи: Он постоянно контролирует ток двигателя, напряжение, температуру и иногда скорость (если используется энкодер), чтобы обеспечить безопасную и оптимальную работу.
• Выполнение алгоритмов управления: На основе желаемой скорости и крутящего момента он рассчитывает точные схемы переключения IGBT в инверторе.
• Защита: Он реализует различные функции защиты от таких неисправностей, как перегрузка по току, повышенное напряжение, пониженное напряжение, перегрев и перегрузка двигателя.
• Связь: Он управляет связью с внешними системами с использованием различных промышленных протоколов.

Метод ШИМ (широтно-импульсной модуляции)

Основным методом, используемым схемой управления для создания выходного переменного тока переменной частоты и напряжения из шины постоянного тока, является Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) . Вот как это работает:

1. Фиксированное напряжение постоянного тока: Инвертор получает фиксированное напряжение постоянного тока от шины постоянного тока.
2. Быстрое переключение: IGBT в инверторе быстро включаются и выключаются на очень высокой частоте («несущая частота», обычно несколько килогерц).
3. Изменение ширины импульса: Вместо прямого изменения напряжения постоянного тока схема управления изменяет ширина импульсов времени включения для IGBT.
4. Синтезирование переменного тока:
   • Чтобы создать более высокий напряжение (среднее среднеквадратичное значение), импульсы становятся шире (IGBT включены в течение большей продолжительности).
   • Чтобы создать более низкую напряжение , импульсы делаются уже.
   • Чтобы создать более высокий частота , последовательность импульсов повторяется быстрее.
   • Чтобы создать более низкую частота , последовательность импульсов повторяется менее быстро.

Точно модулируя ширину и частоту этих импульсов постоянного тока, инвертор синтезирует серию «прерывистых» импульсов постоянного напряжения, которые при подаче на обмотки индуктивного двигателя приближаются к гладкой синусоидальной форме волны переменного тока. Индуктивность двигателя действует как естественный фильтр, сглаживая эти импульсы и позволяя двигателю реагировать так, как будто он получает настоящую синусоидальную волну, хотя и с некоторым содержанием гармоник.

3. Ключевые преимущества использования приводов переменного тока

Широкое внедрение приводов переменного тока — это не просто технологическая тенденция; это прямой результат значительных и ощутимых преимуществ, которые они предлагают в широком спектре промышленных и коммерческих приложений. Эти преимущества часто напрямую приводят к снижению эксплуатационных расходов, повышению производительности и надежности системы.

Энергоэффективность и экономия затрат

Это, пожалуй, самое убедительное преимущество приводов переменного тока, особенно для применений, связанных с нагрузками с переменным крутящим моментом, такими как насосы, вентиляторы и компрессоры.

• Оптимизированное энергопотребление: В отличие от традиционных методов, при которых двигатели работают на полной скорости независимо от потребности (часто тратя энергию через дроссельные клапаны или демпферы), приводы переменного тока позволяют скорости двигателя точно соответствовать требованиям нагрузки. Для центробежных нагрузок потребляемая мощность пропорциональна кубу скорости ( $P\propto {Н}^3$ ). Это означает, что даже небольшое снижение скорости может привести к значительной экономии энергии. Например, снижение скорости двигателя всего на 20 % может привести к экономии энергии примерно на 50 %.
• Снижение пиковой нагрузки: Возможности плавного пуска (обсуждаемые ниже) снижают высокие пусковые токи, связанные с прямым пуском (DOL), что помогает управлять пиковыми расходами на электроэнергию.
• Государственные стимулы: Многие регионы предлагают льготы или скидки для предприятий, которые внедряют энергоэффективные технологии, такие как приводы переменного тока, что еще больше повышает отдачу от инвестиций.

Такая экономия энергии напрямую приводит к значительному снижению эксплуатационных расходов на протяжении всего срока службы оборудования, что часто приводит к очень быстрому сроку окупаемости инвестиций в привод.

Точный контроль скорости двигателя

Одной из фундаментальных функций привода переменного тока является его способность точно контролировать скорость вращения двигателя.

• Бесконечное изменение скорости: В отличие от многоскоростных двигателей или механических коробок передач, которые предлагают дискретные ступени скорости, приводы переменного тока обеспечивают непрерывное, бесступенчатое регулирование скорости практически от нуля до номинальной скорости двигателя, а иногда и за ее пределами.
• Точность и повторяемость: Современные приводы, особенно те, которые используют передовые методы управления, такие как векторное управление, могут поддерживать скорость с высокой точностью даже в условиях изменяющейся нагрузки. Это критически важно для процессов, требующих точного времени и позиционирования.

Улучшенное управление процессом

Возможность точно контролировать скорость двигателя оказывает прямое и глубокое влияние на общую производительность процесса.

• Улучшенное качество продукции: В таких приложениях, как экструдеры, миксеры или обработка полотна, постоянная и контролируемая скорость приводит к однородному качеству продукции, меньшему количеству дефектов и сокращению брака.
• Оптимизированная пропускная способность: Процессы можно точно настроить для максимизации производительности без ущерба для качества и без нагрузки на оборудование.
• Снижение шума и вибрации: За счет работы двигателей на оптимальных скоростях приводы переменного тока могут минимизировать механический шум и вибрацию, способствуя созданию более стабильной и комфортной рабочей среды.
• Управление с обратной связью: При интеграции с датчиками и ПИД-регуляторами (часто встроенными в привод) приводы переменного тока могут автоматически регулировать скорость двигателя для поддержания заданных значений таких параметров, как давление, расход, температура или уровень жидкости.

Снижение механической нагрузки на двигатели и оборудование

Прямой пуск электродвигателей создает значительные механические и электрические напряжения. Приводы переменного тока эффективно решают эти проблемы.

• Плавный пуск и остановка: Вместо мгновенной подачи полного напряжения привод переменного тока постепенно увеличивает напряжение и частоту, позволяя двигателю плавно ускоряться. Точно так же он может плавно замедлять двигатель. Это исключает внезапную ударную нагрузку на механические узлы (редукторы, муфты, ремни, подшипники) и сами обмотки двигателя.
• Уменьшенные пики крутящего момента: Плавное ускорение позволяет избежать скачков крутящего момента, которые могут повредить ведомое оборудование.

Увеличенный срок службы двигателя

Снижая механическое напряжение и обеспечивая комплексную защиту, приводы переменного тока вносят значительный вклад в долговечность электродвигателей и связанного с ними оборудования.

• Более низкие рабочие температуры: Работа двигателей на оптимизированных скоростях и без чрезмерных скачков тока снижает выделение тепла, которое является основным фактором ухудшения изоляции двигателя.
• Особенности защиты: приводы переменного тока incorporate numerous protective functions such as:
  • Защита от перегрузки по току: Предотвращает повреждение от чрезмерного тока двигателя.
  • Защита от повышенного/пониженного напряжения: Защищает привод и двигатель от колебаний сетевого напряжения.
  • Защита двигателя от перегрузки: Предотвращает работу двигателя за температурными пределами.
  • Защита от потери фазы: Обнаруживает и реагирует на отсутствие входных или выходных фаз.
  • Предотвращение остановок: Предотвращает остановку двигателя и потребление чрезмерного тока.
  • Защита от замыканий на землю: Обнаруживает утечку тока на землю.

Эти функции предотвращают катастрофические сбои, сокращают время внеплановых простоев и продлевают срок службы ценных активов.

Возможности плавного пуска и остановки

Как уже упоминалось, это особое и очень ценное преимущество.

• Плавное ускорение: Привод контролирует скорость увеличения скорости двигателя, обеспечивая постепенное и контролируемое увеличение скорости. Это имеет решающее значение для применений, связанных с деликатными материалами, жидкостями, которые могут разбрызгиваться, или системами, где резкие движения нежелательны.
• Плавное замедление: Аналогичным образом привод может привести двигатель к контролируемой остановке, предотвращая механические удары и обеспечивая плавный переход. Это особенно полезно в приложениях с высокой инерцией или там, где требуется точная остановка.
• Устранение пускового тока: Двигатели прямого действия потребляют очень высокий пусковой ток (обычно в 6–8 раз превышающий ток полной нагрузки) при запуске. Приводы переменного тока устраняют это за счет постепенного увеличения тока, что снижает нагрузку на систему электроснабжения, автоматические выключатели и кабели.

Подводя итог, можно сказать, что преимущества приводов переменного тока выходят далеко за рамки простого управления скоростью и включают значительную экономию энергии, повышение эксплуатационной эффективности, сокращение объема технического обслуживания и продление срока службы оборудования, что делает их краеугольным камнем современной промышленной автоматизации и стратегий управления энергопотреблением.

4.Применение приводов переменного тока.

Универсальность и многочисленные преимущества приводов переменного тока привели к их повсеместному внедрению практически во всех промышленных и коммерческих секторах. Их способность точно контролировать скорость и крутящий момент двигателя делает их незаменимыми для оптимизации процессов, экономии энергии и повышения надежности системы в самых разных приложениях.

Насосы, вентиляторы и компрессоры

Эта категория представляет собой одно из крупнейших и наиболее эффективных применений приводов переменного тока, в первую очередь из-за значительной экономии энергии, которую они обеспечивают.

• Насосы: На водоочистных станциях, в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также в системах перекачки промышленных жидкостей насосы часто работают в условиях различной нагрузки. Вместо использования механических дроссельных клапанов для уменьшения расхода (что приводит к потере энергии из-за поддержания полной скорости насоса) привод переменного тока регулирует скорость двигателя насоса для обеспечения точно необходимого расхода или давления. Это приводит к существенной экономии энергии, уменьшению износа клапанов и трубопроводов и улучшению регулирования давления.
• Фанаты: Подобно насосам, промышленные вентиляторы и воздуходувки (например, в системах вентиляции, системах кондиционирования воздуха, градирнях) получают огромную выгоду от регулирования скорости вращения. Замедляя скорость вращения вентилятора, когда требуется меньший поток воздуха, приводы переменного тока значительно снижают потребление энергии и уровень шума.
• Компрессоры: В системах сжатого воздуха приводы переменного тока могут согласовывать мощность компрессора с потребностью в воздухе, предотвращая постоянные циклы загрузки/разгрузки или продувки, тем самым экономя энергию и снижая износ компонентов компрессора.

Конвейерные системы

Приводы переменного тока имеют основополагающее значение для эффективной работы конвейерных систем в производстве, логистике и погрузочно-разгрузочных работах.

• Контролируемый старт/стоп: Плавный пуск и остановка защищают ценные продукты от резких движений и уменьшают нагрузку на ремни, шестерни и двигатели, продлевая срок службы оборудования.
• Переменная скорость для пропускной способности: Скорость можно точно отрегулировать в соответствии с производительностью, различными типами продукции или конкретными этапами процесса. Это обеспечивает плавный поток материала и предотвращает появление узких мест.
• Балансировка нагрузки: В конвейерных системах с несколькими двигателями приводы переменного тока можно скоординировать для равномерного распределения нагрузки, предотвращая перегрузку одного двигателя.

Системы отопления, вентиляции и кондиционирования

Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) в коммерческих зданиях, больницах и промышленных объектах являются основными потребителями энергии. Приводы переменного тока играют решающую роль в оптимизации их эффективности.

• Системы переменного объема воздуха (VAV): Приводы приточных и возвратных вентиляторов позволяют точно контролировать воздушный поток в зависимости от потребностей здания, а не постоянно работать на полной скорости.
• Чиллерные насосы и градирни: Оптимизация скорости насосов охлажденной воды и воды конденсатора, а также вентиляторов градирни приводит к значительной экономии энергии и улучшению регулирования температуры.
• Улучшенный комфорт: Точный контроль над потоком воздуха и воды способствует созданию более стабильной и комфортной среды в помещении.

Промышленная автоматизация

Приводы переменного тока лежат в основе многих автоматизированных производственных процессов, обеспечивая управление движением, необходимое для точности и синхронизации.

• Станки: От станков с ЧПУ до токарных и фрезерных станков приводы переменного тока обеспечивают точное управление скоростью шпинделя и точное позиционирование осей.
• Робототехника: Высокодинамичное и точное управление соединениями робота требует сложного управления двигателем, часто обеспечиваемого специализированными сервоприводами переменного тока.
• Упаковочное оборудование: Синхронизированные движения конвейеров, наполнителей, упаковщиков и этикетировщиков имеют решающее значение для эффективности упаковочных линий, и все это обеспечивается скоординированными приводами переменного тока.
• Текстильное оборудование: Точный контроль натяжения пряжи и скорости полотна имеет важное значение для качественного производства, что делает приводы переменного тока незаменимыми в этом секторе.

Системы возобновляемой энергии (ветряные турбины, солнечная энергия)

Технология привода переменного тока является неотъемлемой частью использования и преобразования возобновляемых источников энергии в полезную электроэнергию.

• Ветровые турбины: В современных ветряных турбинах с регулируемой скоростью приводы переменного тока (или преобразователи) используются для преобразования выходной переменной частоты генератора (которая меняется в зависимости от скорости ветра) в фиксированную частоту сети (например, 50 Гц или 60 Гц). Это максимизирует захват энергии в различных ветровых условиях.
• Солнечная энергия (PV-инверторы): Хотя эти устройства часто называют «инверторами», эти устройства по своей сути выполняют функцию, аналогичную инверторному каскаду привода переменного тока – преобразуют выходной сигнал постоянного тока от солнечных панелей в совместимую с сетью мощность переменного тока. Многие из них также включают функции отслеживания точки максимальной мощности (MPPT) для оптимизации сбора энергии.

Электромобили (EV)

Быстро растущий рынок электромобилей во многом зависит от передовых технологий привода переменного тока.

• Тяговые инверторы: «Контроллер двигателя» или «тяговый инвертор» в электромобиле по сути представляет собой сложный привод переменного тока. Он преобразует мощность постоянного тока от аккумуляторной батареи в мощность переменного тока переменной частоты и переменного напряжения для привода тягового электродвигателя.
• Регенеративное торможение: приводы переменного тока enable regenerative braking, where the electric motor acts as a generator during deceleration, converting kinetic energy back into electrical energy to recharge the battery, significantly improving efficiency and range.
• Точный контроль: Приводы обеспечивают плавное ускорение, точный контроль скорости и эффективную подачу мощности, что способствует повышению производительности и удовольствия от вождения электромобилей.

Широта этих приложений подчеркивает преобразующую роль приводов переменного тока в обеспечении эффективности, контроля и инноваций во многих отраслях промышленности, что делает их краеугольным камнем современной передачи энергии и автоматизации.

5. Выбор подходящего привода переменного тока

Выбор подходящего привода переменного тока для конкретного применения является важным шагом, который напрямую влияет на производительность, эффективность, надежность и общую стоимость системы. Несоответствие между диском и приложением может привести к снижению производительности, преждевременному выходу из строя или ненужным расходам. В процессе выбора необходимо тщательно учитывать несколько ключевых факторов.

Требования к напряжению и току двигателя

Это самая фундаментальная проверка совместимости. Номинальные входное и выходное напряжение привода переменного тока должны соответствовать номинальному напряжению электропитания и двигателя соответственно.

• Входное напряжение: Должен ли привод работать от однофазной или трехфазной сети? Каково номинальное напряжение сети (например, 230 В, 400 В, 480 В, 690 В переменного тока)?
• Выходное напряжение: Диапазон выходного напряжения привода должен быть совместим с номинальным напряжением двигателя.
• Ток полной нагрузки двигателя (FLA): Номинальный непрерывный выходной ток привода должен быть равен или превышать силу тока полной нагрузки двигателя. Часто рекомендуется выбирать привод с немного более высоким номинальным током, чем у двигателя, особенно для требовательных приложений или приложений с потенциальной перегрузкой.

Номинальная мощность (кВт)

Хотя соответствие номинальной мощности (л.с.) или киловатт (кВт) часто используется в качестве основного критерия выбора, не всегда достаточно. Это хорошая отправная точка, но более важными являются текущий тип и тип приложения.

• Стандартный матч: Для приложений общего назначения часто выбирают привод с той же мощностью л.с./кВт, что и двигатель.
• Снижение мощности: Имейте в виду, что некоторые производители публикуют номинальные характеристики привода, основанные на нагрузках с «постоянным крутящим моментом» или «переменным крутящим моментом». Для приложений с постоянным крутящим моментом (например, конвейеры, экструдеры) может потребоваться больший размер привода по сравнению с приложениями с переменным крутящим моментом (например, вентиляторы, насосы) с той же мощностью двигателя. Факторы окружающей среды (температура, высота над уровнем моря) также могут потребовать снижения номинальных характеристик.
• Фактор обслуживания: Учитывайте коэффициент эксплуатации двигателя. Несмотря на то, что привод защищает от перегрузки, понимание того, какой запас по перегрузке имеет двигатель, по-прежнему важно.

Требования для конкретного применения (крутящий момент, диапазон скоростей)

Характер нагрузки имеет первостепенное значение при выборе привода. Различные применения имеют разные характеристики крутящего момента и скорости.

• Тип нагрузки:
  • Переменный крутящий момент: (например, вентиляторы, центробежные насосы) Требуемый крутящий момент увеличивается пропорционально квадрату скорости ( $T\propto {Н}^2$ ). Эти приложения, как правило, легче использовать на диске.
  • Постоянный крутящий момент: (например, конвейеры, объемные насосы, миксеры, экструдеры) Требуемый крутящий момент остается относительно постоянным во всем диапазоне скоростей. Эти приложения более требовательны к накопителю.
  • Постоянная мощность: (например, шпиндели станков на высоких скоростях) Крутящий момент уменьшается с увеличением скорости.
• Стартовый крутящий момент: Требует ли приложение высокого пускового крутящего момента (например, тяжелонагруженные конвейеры)? Некоторые приводы лучше подходят для требований к высокому пусковому моменту.
• Диапазон скоростей: Какова необходимая минимальная и максимальная рабочая скорость? Требуется ли работа на очень низких скоростях или даже на нулевой скорости с полным крутящим моментом?
• Динамика: Требует ли приложение быстрого ускорения/замедления или частых запусков/остановок? Это влияет на управление температурой привода и требования к торможению.
• Торможение: Требуется ли динамическое торможение или рекуперативное торможение для быстрой остановки или замедления высокоинерционного груза? В этом случае привод должен поддерживать эти функции, и могут потребоваться внешние тормозные резисторы или устройства рекуперации.

Экологические соображения (температура, влажность, пыль)

Рабочая среда может существенно повлиять на срок службы и производительность накопителя.

• Температура окружающей среды: Приводы обычно рассчитаны на работу в определенном температурном диапазоне (например, $0^{\circ }C$ чтобы $40^{\circ }C$ or $50^{\circ }C$ ). Работа выше этого диапазона часто требует снижения номинальных характеристик привода или активного охлаждения корпуса.
• Влажность: Высокая влажность может привести к образованию конденсата и коррозии. Приводы следует выбирать с соответствующими защитными покрытиями или размещать в помещениях с контролируемым климатом.
• Пыль/твердые частицы: В пыльных или грязных средах требуются диски с более высоким классом защиты IP (защита от проникновения) или герметичные корпуса.
• Вибрация: Чрезмерная вибрация может повредить внутренние компоненты.
• Высота: На больших высотах воздух разрежен, что снижает эффективность охлаждения привода. Может потребоваться снижение номинальных характеристик.

Протоколы связи (Modbus, Ethernet/IP, Profinet и т. д.)

Современная промышленная среда в значительной степени зависит от сетей связи. Привод должен легко интегрироваться с существующей системой управления.

• Стандартные протоколы: Общие протоколы промышленной связи включают Modbus RTU, Modbus TCP/IP, Ethernet/IP, Profinet, DeviceNet, CANopen и PROFIbus.
• Совместимость системы управления: Убедитесь, что выбранный привод поддерживает протокол, используемый вашим ПЛК, HMI или системой SCADA. Это обеспечивает дистанционное управление, мониторинг, диагностику и настройку параметров.

Типы корпусов (рейтинги NEMA/рейтинги IP)

Корпус накопителя защищает его внутренние компоненты от воздействия окружающей среды. Требуемый уровень защиты определяется рейтингами NEMA (Национальная ассоциация производителей электрооборудования) в Северной Америке или рейтингами IP (защита от проникновения) на международном уровне.

• Рейтинги NEMA: Общие рейтинги включают NEMA 1 (общего назначения, внутри помещений), NEMA 12 (пыленепроницаемость, защита от капель, внутри помещений), NEMA 4/4X (всепогодные, коррозионностойкие, внутри/наружно) и т. д.
• IP-рейтинги: Первая цифра указывает на защиту от твердых частиц (пыли), а вторая цифра указывает на защиту от жидкостей (воды). Например, IP20 (базовая защита пальцев), IP54 (пыленепроницаемость, брызгозащищенность), IP65 (пыленепроницаемость, струйная защита), IP66 (пыленепроницаемость, мощная струйная защита).

Выбор правильного корпуса гарантирует надежную работу привода в предназначенном для него месте и соответствие стандартам безопасности. Тщательное рассмотрение всех этих факторов в процессе выбора гарантирует оптимальную работу привода переменного тока, получение ожидаемых преимуществ и длительный и безотказный срок службы.

6.Программирование и настройка

После того как привод переменного тока физически выбран и установлен, следующим важным шагом является его программирование и настройка в соответствии с конкретными требованиями двигателя и применения. Этот процесс включает в себя настройку различных параметров, которые определяют, как работает привод, как он взаимодействует с двигателем и как он взаимодействует с внешними системами управления. Хотя точные параметры и интерфейс могут незначительно отличаться у разных производителей (например, Siemens, ABB, Rockwell, Schneider Electric), основные концепции остаются неизменными.

Основные параметры и настройки

Каждый привод переменного тока требует настройки набора основных параметров, прежде чем он сможет безопасно и эффективно управлять двигателем. Обычно они включают в себя:

• Номинальное напряжение двигателя: Номинальное рабочее напряжение двигателя (например, 400 В).
• Номинальный ток двигателя (FLA): Номинальный ток полной нагрузки двигателя.
• Номинальная частота двигателя: Базовая частота двигателя (например, 50 Гц для Европы, 60 Гц для Северной Америки).
• Номинальная скорость двигателя (об/мин): Синхронная или номинальная скорость двигателя при номинальной частоте.
• Номинальная мощность двигателя (кВт/л.с.): Номинальная выходная мощность двигателя.
• Полюса двигателя: Число магнитных полюсов двигателя (обычно рассчитывается на основе номинальной скорости и частоты, например, для 50 Гц 4-полюсный двигатель равен 1500 об/мин).
• Тип приложения: Выбор между нагрузками с «переменным крутящим моментом» (вентиляторы, насосы) или «постоянным крутящим моментом» (конвейеры, смесители) часто оптимизирует алгоритмы внутреннего управления привода и настройки защиты.
• Режим управления: Это определяет, как привод управляет двигателем. Общие режимы включают в себя:
  • В/Гц (Вольт на Герц): Самый распространенный и простой режим, подходящий для устройств общего назначения, таких как вентиляторы и насосы. Он поддерживает постоянное соотношение между напряжением и частотой.
  • Бездатчиковое векторное управление (SVC)/векторное управление с разомкнутым контуром: Обеспечивает лучший контроль крутящего момента на более низких скоростях и улучшенное регулирование скорости без необходимости использования энкодера двигателя.
  • Векторное управление с обратной связью/векторное управление потоком: Требуется энкодер на двигателе для точного управления скоростью и положением, часто используемый в высокопроизводительных приложениях, таких как станки или робототехника.
  • Прямой контроль крутящего момента (DTC): Запатентованный метод управления (например, от ABB), обеспечивающий очень быструю и точную реакцию крутящего момента и скорости, часто без энкодера.

Время разгона и замедления

Эти параметры имеют решающее значение для плавной и контролируемой работы двигателя, а также для защиты механического оборудования.

• Время ускорения: Определяет, сколько времени требуется двигателю для разгона от нулевой скорости (или минимальной скорости) до целевой скорости. Более длительное время изменения скорости снижает механическое напряжение и пусковой ток.
• Время замедления: Определяет, сколько времени потребуется двигателю для замедления от текущей скорости до нулевой скорости (или минимальной скорости). Более длительное время замедления снижает механическое напряжение, но может потребоваться динамическое торможение, если нагрузка имеет высокую инерцию и ее необходимо быстро остановить.

Установка слишком короткого времени может привести к возникновению высоких токов, механическому удару и даже отключению привода. Установка слишком длинных значений может задержать реакцию процесса.

Настройки управления крутящим моментом

Для применений, где регулирование крутящего момента имеет решающее значение, приводы предлагают различные настройки:

• Пределы крутящего момента: Установка пределов максимального и минимального крутящего момента для защиты приводимого оборудования или предотвращения повреждения двигателя.
• Повышение крутящего момента (В/Гц): Обеспечение небольшого повышения напряжения на более низких частотах для преодоления собственного падения импеданса двигателя, что помогает поддерживать крутящий момент при запуске и на низких скоростях, особенно при нагрузках с постоянным крутящим моментом.
• Компенсация скольжения: В режиме В/Гц регулировка выходной частоты в зависимости от скольжения двигателя позволяет поддерживать более точную скорость при различных нагрузках.
• Управление торможением:
  • Торможение постоянным током: Подача постоянного тока на обмотки двигателя для создания стационарного магнитного поля, быстро останавливающего двигатель. Используется для быстрой остановки без внешних резисторов.
  • Динамическое торможение: Рассеивание рекуперативной энергии двигателя (при торможении высокоминерционных нагрузок) через внешний тормозной резистор, подключенный к шине постоянного тока. Это обеспечивает более быстрое и контролируемое замедление.
  • Регенеративное торможение: Подача рекуперативной энергии обратно в основной источник питания, часто достигается с помощью активных входных приводов (AFE).

ПИД-регулятор

Многие современные приводы переменного тока оснащены встроенными пропорционально-интегрально-дифференциальными (ПИД) контроллерами. Это позволяет приводу напрямую регулировать переменные процесса без необходимости использования внешнего ПЛК для простых контуров управления.

• Переменные процесса: Привод может отслеживать обратную связь от датчика (например, датчика давления, расходомера, датчика температуры) и регулировать скорость двигателя для поддержания заданного значения.
• Уставки: Требуемое значение переменной процесса.
• Параметры настройки (P, I, D): Регулировка этих параметров позволяет приводу точно и стабильно реагировать на отклонения от заданного значения, предотвращая колебания или вялую реакцию. Это часто встречается в насосах и вентиляторах, где необходимо поддерживать постоянное давление или расход.

Настройка связи

Для интеграции в более крупную систему управления необходима настройка параметров связи.

• Выбор протокола: Выбор правильного протокола промышленной связи (например, Modbus RTU, Ethernet/IP, Profinet).
• Сетевой адрес: Присвоение уникального адреса диску в сети.
• Скорость передачи/скорость передачи данных: Настройка скорости связи.
• Сопоставление данных: Определение того, какие параметры привода (например, задание скорости, фактическая скорость, ток, аварийные сигналы) доступны через сеть и где они отображаются в ПЛК или HMI.

Использование клавиатур, HMI и программных интерфейсов

Программирование и настройка могут выполняться через различные интерфейсы:

• Встроенная клавиатура/дисплей: Большинство приводов имеют локальную клавиатуру и небольшой ЖК-экран для ввода основных параметров и контроля. Это удобно для ввода в эксплуатацию одиночных приводов или внесения мелких корректировок.
• Человеко-машинные интерфейсы (HMI): Для более сложных систем специальная панель HMI может предоставить графический интерфейс для настройки параметров, мониторинга состояния и устранения неполадок.
• Программное обеспечение для ПК: Производители предоставляют сложные программные инструменты, которые подключаются к накопителю через USB, Ethernet или последовательные порты. Эти инструменты предлагают:
  • Графический интерфейс: Упрощенная навигация и управление параметрами.
  • Загрузка/выгрузка параметров: Сохранение конфигураций и копирование их на несколько дисков.
  • Запись трендов: Регистрация эксплуатационных данных с течением времени для анализа.
  • Диагностические инструменты: Расширенные возможности устранения неполадок.
  • Волшебники: Пошаговые процедуры настройки для распространенных приложений.

Правильное программирование и конфигурация гарантируют, что привод переменного тока работает должным образом, обеспечивает оптимальную эффективность и легко интегрируется в общую архитектуру автоматизации. Это важный шаг, который напрямую влияет на успех приложения.

7. Установка и подключение.

Правильная установка и подключение имеют первостепенное значение для безопасной, надежной и эффективной работы привода переменного тока и двигателя, которым он управляет. Пренебрежение передовыми практиками на этом этапе может привести к отказу привода, повреждению двигателя, проблемам с электромагнитными помехами (EMI) и даже к серьезным угрозам безопасности. Настоятельно рекомендуется, чтобы установку выполнял квалифицированный персонал, знакомый с электротехническими нормами и стандартами безопасности.

Меры предосторожности

Прежде чем приступить к любым работам с приводом переменного тока или связанной с ним схемой, безопасность должна быть абсолютным главным приоритетом.

• Обесточивание и блокировка/маркировка: Всегда проверяйте, что все источники питания привода, двигателя и цепей управления полностью отключены и обесточены, используя соответствующие процедуры блокировки/маркировки. Это предотвращает случайное повторное включение питания во время работы.
• Подождите разряда шины постоянного тока: Даже после отключения питания конденсаторы шины постоянного тока внутри привода сохраняют опасный заряд в течение нескольких минут (или даже дольше для более крупных приводов). Всегда дожидайтесь указанного времени разряда (проверьте руководство привода) или проверяйте нулевое напряжение на клеммах шины постоянного тока с помощью подходящего мультиметра, прежде чем прикасаться к каким-либо внутренним компонентам.
• Средства индивидуальной защиты (СИЗ): Надевайте соответствующие средства индивидуальной защиты, включая защитные очки, одежду, рассчитанную на защиту от дуги (при наличии опасности вспышки дуги) и изолирующие перчатки.
• Следуйте инструкциям производителя: Всегда обращайтесь к конкретному руководству по установке, предоставленному производителем привода переменного тока. В этих руководствах содержится важная информация о зазорах, монтаже, методах подключения и предупреждения по технике безопасности, уникальные для данной модели привода.
• Соблюдайте электрические нормы и правила: Вся проводка и установка должны соответствовать местным, национальным и международным электротехническим нормам и правилам (например, NEC в США, стандартам IEC в Европе).

Правильное заземление

Эффективное заземление, пожалуй, самый важный аспект установки привода переменного тока как с точки зрения безопасности, так и с точки зрения производительности.

• Безопасное заземление (защитное заземление): Шасси привода и корпус двигателя должны быть правильно подключены к заземлению с низким сопротивлением. Это защищает персонал от поражения электрическим током в случае повреждения изоляции. Используйте заземляющие проводники соответствующего размера, как указано в нормах и руководстве по приводу.
• Высокочастотное заземление: Из-за высокочастотного переключения (ШИМ) приводов переменного тока высокочастотные токи могут протекать через пути заземления. Крайне важно использовать экранированные кабели двигателя с хорошим подключением экрана на 360 градусов к клемме заземления привода и клемме заземления двигателя. Это помогает сдерживать электромагнитные помехи и направлять синфазные токи в сторону от чувствительного оборудования и персонала.
• Специальное заземление: Часто рекомендуется иметь специальные заземляющие провода для привода, отдельно от других чувствительных схем управления, чтобы минимизировать шумовую связь.

Входная и выходная проводка

Силовые соединения к приводу переменного тока и от него требуют особого внимания к размеру, изоляции и прокладке проводников.

• Входная мощность (сторона линии):
  • Подключите источник питания переменного тока к входным клеммам привода (L1/R, L2/S, L3/T).
  • Убедитесь, что размер проводов соответствует номинальному входному току привода и длине кабеля, а также соблюдены ограничения по падению напряжения.
  • Установите соответствующую защиту от сверхтоков (предохранители или автоматические выключатели) перед приводом в соответствии с рекомендациями производителя и местными нормами.
  • Рассмотрите возможность использования сетевых реакторов или изолирующих трансформаторов, если качество поступающей электроэнергии плохое или если привод нуждается в защите от сетевых помех.
• Выходная мощность (сторона двигателя):
  • Подключите выходные клеммы привода (U, V, W) непосредственно к клеммам двигателя.
  • Крайне важно НЕ устанавливать контакторы или автоматические выключатели между выходом привода и двигателем, если они специально не предназначены для выходного сигнала переменной частоты. Это может привести к повреждению привода.
  • Использование Кабели двигателя с номиналом VFD (экранированный, с низкой емкостью) для трасс длиной более нескольких метров. Эти кабели разработаны так, чтобы выдерживать высокочастотные скачки напряжения (dV/dt), генерируемые выходом ШИМ, и минимизировать отраженные волны и электромагнитные помехи.
  • Убедитесь, что размер провода соответствует току полной нагрузки двигателя.

Электропроводка двигателя

Правильное соединение обмоток двигателя жизненно важно для правильного вращения и производительности.

• Тип подключения двигателя: Убедитесь, что двигатель подключен к правильному напряжению (звезда/звезда или треугольник) в соответствии с паспортной табличкой и выходным напряжением привода. Например, двигатель на 400 В может быть соединен треугольником с источником питания 400 В или звездой с источником питания 690 В. Несоответствующие соединения могут привести к перегреву двигателя или снижению его производительности.
• Вращение: Проверьте направление вращения двигателя. Если это не так, просто поменяйте местами любые две из трех выходных фаз (U, V, W) от привода к двигателю.
• Проводка энкодера/обратной связи (если применимо): При использовании режима управления с обратной связью (например, для точного управления скоростью или положением) подключите кабели обратной связи энкодера или резольвера двигателя к клеммам управления привода в соответствии с инструкциями производителя. Эти кабели обычно экранированы и требуют тщательной прокладки во избежание помех.

Борьба с электромагнитными помехами (EMI)

Приводы переменного тока из-за их высокочастотного переключения могут генерировать значительные электромагнитные помехи, которые могут вывести из строя находящееся рядом чувствительное электронное оборудование. Снижение уровня электромагнитных помех является ключевым аспектом хорошей установки.

• Экранированные кабели: Как уже упоминалось, используйте экранированные кабели двигателя (выходная проводка) и экранированные кабели управления/обратной связи. Убедитесь, что экраны правильно подключены на обоих концах (подключение на 360 градусов к земле привода и земле двигателя/датчика).
• Разделение проводки:
  • Прокладывайте силовые кабели (входные и выходные) отдельно от кабелей управления и связи. Соблюдайте минимальное расстояние (например, 20–30 см или более).
  • Избегайте параллельной прокладки кабелей питания и управления в одном кабелепроводе или кабельном лотке. Если пересекаете, делайте это под углом 90 градусов.
• Ферритовые сердечники: В некоторых случаях ферритовые сердечники можно зажать вокруг выходных кабелей двигателя или кабелей управления, чтобы снизить высокочастотный шум.
• Сетевые дроссели/фильтры электромагнитных помех: Реакторы входной линии могут уменьшить гармонические искажения во входной линии питания и помочь фильтровать некоторые электромагнитные помехи. Специальные фильтры электромагнитных помех (встроенные в привод или внешние) могут еще больше снизить кондуктивные и излучаемые излучения.
• Правильный корпус: Установите привод в металлический корпус с надлежащим заземлением. Обеспечьте хороший электрический контакт между всеми металлическими поверхностями корпуса.

Соблюдение этих рекомендаций по установке и подключению гарантирует безопасную, надежную работу привода переменного тока и оптимальную производительность, сводя при этом к минимуму потенциальные проблемы, связанные с качеством электроэнергии и электромагнитной совместимостью.

8.Техническое обслуживание и устранение неисправностей

Даже при правильном выборе и установке приводы переменного тока, как и любое электронное оборудование, требуют регулярного технического обслуживания и периодического устранения неисправностей, чтобы обеспечить их долгосрочную надежность и оптимальную производительность. Профилактическое обслуживание может предотвратить дорогостоящие простои, а систематическое устранение неполадок помогает быстро выявлять и устранять проблемы по мере их возникновения.

Регулярный осмотр и очистка

Постоянный график визуального осмотра и очистки имеет основополагающее значение для долговечности привода переменного тока.

• Визуальный осмотр:
  • Внешний: Проверьте, нет ли скоплений пыли и грязи, особенно вокруг охлаждающих ребер и вентиляционных отверстий. Ищите признаки перегрева, такие как обесцвеченная проводка или компоненты, запах горелого или деформированный пластик.
  • Внутренний (при безопасном обесточении): Осмотрите конденсаторы на предмет вздутия или утечки (признаков неисправности). Проверьте надежность соединений, коррозию клемм и повреждение проводки. Следите за проникновением насекомых или грызунов.
• Очистка:
  • Удаление пыли: Пыль и грязь действуют как теплоизоляция, препятствуя рассеиванию тепла и потенциально вызывая перегрев. Используйте сухой, чистый сжатый воздух низкого давления (без масла) для удаления пыли из радиаторов, охлаждающих вентиляторов и внутренних компонентов. Избегайте направления воздуха непосредственно на печатные платы, поскольку это может привести к повреждению чувствительных компонентов.
  • Фанаты: Осмотрите охлаждающие вентиляторы на предмет правильности работы, чрезмерного шума или физических повреждений. Очистите лопасти вентилятора и убедитесь, что воздушные каналы свободны. Немедленно заменяйте шумные или вышедшие из строя вентиляторы.
  • Фильтры: Если в корпусе или приводе имеются воздушные фильтры, регулярно очищайте или заменяйте их в соответствии с рекомендациями производителя. Засоренные фильтры сильно ограничивают поток воздуха.
• Экологические проверки: Убедитесь, что температура окружающей среды, влажность и вентиляция внутри корпуса привода находятся в пределах, указанных производителем. Убедитесь, что двери шкафа надежно закрыты.

Проверка уровней напряжения и тока

Регулярный мониторинг электрических параметров дает представление о исправности и рабочем состоянии привода.

• Входное напряжение: Убедитесь, что входное напряжение сети переменного тока стабильно и находится в пределах допустимого отклонения привода. Колебания могут привести к неприятным поездкам или повреждению.
• Выходное напряжение и частота: Контролируйте выходное напряжение и частоту привода при различных скоростях двигателя. Это подтверждает, что привод передает на двигатель ожидаемую мощность.
• Ток двигателя: Сравните фактический ток двигателя с номинальным током двигателя при полной нагрузке (FLA) и номинальным выходным током привода.
  • Чрезмерный ток может указывать на перегрузку двигателя, механическую неисправность приводимого оборудования или неисправность двигателя или привода.
  • Несбалансированные токи между фазами могут указывать на проблемы с обмоткой двигателя или на проблемы с компонентами выходной мощности внутри привода.
• Напряжение шины постоянного тока: Контролируйте напряжение шины постоянного тока (если это доступно через дисплей привода или программное обеспечение). Аномальные показания могут указывать на проблемы с выпрямителем, конденсаторами звена постоянного тока или рекуперативным торможением.
• Гармонические искажения: В качестве более продвинутого варианта рассмотрите возможность периодической проверки гармонических искажений на входной линии питания, особенно в установках с несколькими приводами. Чрезмерные гармоники могут повлиять на другое оборудование в той же линии.

Обслуживание подшипников (двигатель)

Правильное обслуживание подшипников двигателя, хотя и не является строго частью технического обслуживания привода, напрямую влияет на общее состояние системы привода.

• Смазка: Следуйте рекомендациям производителя двигателя относительно графиков смазки подшипников и типа смазки. Чрезмерная или недостаточная смазка может привести к преждевременному выходу подшипника из строя.
• Анализ вибрации: В критически важных приложениях периодический анализ вибрации может обнаружить ранние признаки износа или смещения подшипников, что позволяет провести упреждающую замену до катастрофического отказа.
• Проверка шума: Прислушивайтесь к необычным шумам двигателя, которые часто указывают на проблемы с подшипниками.

Устранение распространенных проблем

При возникновении неисправности системный подход является ключом к эффективному устранению неполадок. Большинство приводов отображают диагностические коды или сообщения на своем дисплее.

• «Нет дисплея» / Нет питания:
  • Проверьте входное электропитание (прерыватели, предохранители, напряжение).
  • Проверьте источник питания управления, если он отдельный.
  • Проверьте наличие внутренних повреждений (например, перегоревших предохранителей внутри привода).
• «Отключение по току»:
  • Причина: Двигатель перегружен, механическое заедание, короткое замыкание в двигателе или кабелях, резкое ускорение/замедление, неправильная настройка привода.
  • Действие: Проверьте нагрузку двигателя, проверьте приводимое оборудование, проверьте изоляцию двигателя, увеличьте время разгона/замедления, проверьте параметры двигателя.
• «Отключение по перенапряжению»:
  • Причина: Слишком быстрое торможение высокоинерционной нагрузки (регенеративное напряжение превышает предел шины постоянного тока), чрезмерное входное напряжение сети.
  • Действие: Увеличьте время торможения, установите резистор динамического торможения (при необходимости), проверьте входное сетевое напряжение, рассмотрите сетевой дроссель.
• «Отключение при пониженном напряжении»:
  • Причина: Просадка входного напряжения, кратковременная потеря мощности.
  • Действие: Проверьте входное напряжение, проверьте качество электроэнергии.
• «Отключение по перегрузке двигателя» / «Тепловое отключение»:
  • Причина: Двигатель постоянно работает с током выше номинального, недостаточное охлаждение двигателя, неправильные параметры двигателя.
  • Действие: Уменьшите нагрузку, проверьте вентилятор двигателя, обеспечьте вентиляцию двигателя, проверьте настройки FLA двигателя в приводе.
• «Отключение при замыкании на землю»:
  • Причина: Нарушение изоляции обмоток двигателя или кабелей, попадание влаги.
  • Действие: Меггер (испытание изоляции) двигателя и кабелей.
• «Неисправность приводного вентилятора»:
  • Причина: Отказ вентилятора охлаждения, заблокирован поток воздуха.
  • Действие: Очистите или замените вентилятор, устраните препятствия.
• Двигатель не работает/нет выходной мощности:
  • Причина: Неправильная проводка, проблема с сигналом управления (пуск/стоп не включен), отсутствует задание частоты, привод в состоянии «неисправность».
  • Действие: Проверьте всю проводку, проверьте входы управления, проверьте наличие активных кодов неисправностей.

9.Расширенные функции и технологии

Хотя основная функциональность привода переменного тока включает в себя изменение частоты и напряжения для управления двигателем, современные приводы включают в себя множество передовых функций и технологий, которые повышают их производительность, эффективность и возможности интеграции. Эти инновации обеспечивают более сложное управление, большую экономию энергии и бесперебойную связь в сложных промышленных системах.

Регенеративное торможение

Традиционные приводы переменного тока рассеивают избыточную энергию, образующуюся при торможении высокоминерционных нагрузок, в виде тепла во внешних тормозных резисторах (динамическое торможение). Регенеративное торможение предлагает гораздо более энергоэффективную альтернативу.

• Как это работает: Вместо преобразования кинетической энергии двигателя в тепло рекуперативные приводы (часто использующие выпрямитель «Активный вход») преобразуют эту энергию обратно в электрическую мощность и подают ее непосредственно в основную сеть электропитания переменного тока. Двигатель эффективно действует как генератор во время замедления.
• Преимущества:
  • Значительная экономия энергии: Рекуперативное торможение значительно снижает потребление энергии, особенно в приложениях с частыми пусками/остановками или высокоинерционными нагрузками (например, центрифуги, большие вентиляторы, лифты, краны).
  • Пониженное тепло: Устраняет необходимость в громоздких и выделяющих тепло тормозных резисторах, упрощая управление температурным режимом.
  • Более высокий коэффициент мощности: Активные внешние приводы обычно обеспечивают коэффициент мощности, равный единице, что снижает реактивную мощность, потребляемую из сети.
  • Пониженные гармоники: Активные входные каскады также значительно снижают гармонические искажения, вносимые обратно в источник питания.

Бездатчиковое векторное управление

Хотя базовое управление напряжением/Гц достаточно для многих приложений, оно может иметь проблемы с точным контролем крутящего момента и производительностью на низких скоростях. Бездатчиковое векторное управление (SVC), также известное как векторное управление с разомкнутым контуром, обеспечивает значительное улучшение без необходимости использования физического энкодера двигателя.

• Как это работает: SVC использует сложные математические модели двигателя и измерения тока и напряжения двигателя в реальном времени для оценки потока и скорости ротора двигателя. Независимо управляя магнитным потоком и компонентами тока, создающими крутящий момент (аналогично тому, как управляется двигатель постоянного тока), он обеспечивает точное регулирование крутящего момента и скорости.
• Преимущества:
  • Улучшенный контроль крутящего момента: Лучший пусковой момент и более стабильное управление крутящим моментом в более широком диапазоне скоростей, особенно на низких скоростях.
  • Улучшенное регулирование скорости: Более точное удержание скорости при различных условиях нагрузки по сравнению с В/Гц.
  • Устраняет кодировщик: Уменьшает сложность проводки, стоимость и потенциальные точки отказа, связанные с энкодерами, установленными на двигателе.
  • Подходит для: Конвейеры, смесители, экструдеры и другие приложения, требующие более высокой производительности, чем В/Гц, но не требующие высочайших требований к точности.

Прямой контроль крутящего момента (DTC)

Прямое управление крутящим моментом (DTC) — это усовершенствованный запатентованный метод управления, используемый в основном в приводах ABB. Это представляет собой значительный отход от традиционного ШИМ и векторного управления.

• Как это работает: DTC напрямую управляет магнитным потоком и электромагнитным крутящим моментом двигателя, выбирая оптимальные состояния переключения инвертора на основе ошибок магнитного потока и крутящего момента в реальном времени. Он устраняет необходимость в традиционных ШИМ-модуляторах и регуляторах тока.
• Преимущества:
  • Чрезвычайно быстрый ответ: Обеспечивает исключительно быструю реакцию крутящего момента и магнитного потока, что приводит к очень динамичным характеристикам.
  • Высокая точность: Обеспечивает точное управление скоростью и крутящим моментом, часто без необходимости использования энкодера, что делает его пригодным для требовательных приложений.
  • Прочность: Менее чувствителен к изменениям параметров двигателя и колебаниям напряжения.
  • Подходит для: Высокопроизводительные приложения, такие как бумагоделательные машины, ветряные турбины, системы управления подъемниками и кранами, а также морские силовые установки.

Расширенные протоколы связи

Помимо базовой последовательной связи (например, Modbus RTU), современные приводы переменного тока поддерживают широкий спектр передовых протоколов промышленного Ethernet и полевых шин, что обеспечивает плавную интеграцию в сложные архитектуры автоматизации.

• Промышленный Ethernet:
  • Ethernet/IP: Широко используется в системах Rockwell Automation.
  • Профинет: Популярен в среде Siemens.
  • ЭтерКАТ: Известен своей высокой скоростью и детерминированностью, часто используется при управлении движением.
  • Modbus TCP/IP: Открытый, широко распространенный протокол на основе Ethernet.
• Полевые шины:
  • ПРОФИбус: Продуманная и надежная полевая шина, до сих пор широко используемая.
  • Девайснет: Еще одна установленная полевая шина для дискретного управления.
  • CANopen: Часто встречается во встроенных системах и некоторых машинах.
• Преимущества:
  • Бесшовная интеграция: Простое подключение к ПЛК, HMI, системам SCADA и другим устройствам производственного цеха.
  • Удаленный мониторинг и контроль: Обеспечивает удаленную настройку параметров, мониторинг состояния в реальном времени и диагностику неисправностей из центральной диспетчерской.
  • Обмен данными: Облегчает обмен обширными оперативными данными, поддерживая стратегии аналитики и прогнозного обслуживания.
  • Улучшенная диагностика: Более быстрое и подробное сообщение о неисправностях.

Встроенная функциональность ПЛК

Многие современные приводы переменного тока теперь оснащены встроенными возможностями программируемого логического контроллера (ПЛК), которые часто называют «мягким ПЛК» или «интеллектом на основе привода».

• Как это работает: Небольшой программируемый логический механизм встроен в схему управления привода. Пользователи могут программировать простые логические последовательности, функции синхронизации и условные операции непосредственно в приводе, часто используя стандартные языки программирования ПЛК (например, релейную логику, функциональные блок-схемы).
• Преимущества:
  • Уменьшенные внешние компоненты: Для простых приложений это может устранить необходимость в отдельном небольшом внешнем ПЛК, экономя затраты и пространство на панели.
  • Более быстрый ответ: Логика, выполняемая непосредственно в приводе, может иметь более быстрое время отклика, поскольку позволяет избежать задержек связи.
  • Распределенное управление: Обеспечивает более распределенную архитектуру управления, в которой интеллект распространяется по всей системе.
  • Повышенная автономность: Привод может выполнять основные задачи управления самостоятельно, даже если основная связь с ПЛК временно прерывается.
  • Примеры приложений: Простая компоновка насосов, управление вентилятором в зависимости от температуры, базовая последовательность действий для небольшой секции конвейера.

Эти расширенные функции в совокупности расширяют границы возможностей приводов переменного тока, превращая их из простых регуляторов скорости в интеллектуальные, сетевые и энергоэффективные строительные блоки современной промышленной автоматизации.

10. Соображения безопасности

Работа с приводами переменного тока связана с высоким напряжением, значительными токами и движущимися механизмами, что представляет собой различные электрические и механические опасности. Поэтому строгое соблюдение протоколов и стандартов безопасности — это не просто рекомендация, а важнейший императив. Приоритет безопасности защищает персонал, предотвращает повреждение оборудования и обеспечивает соблюдение нормативных требований.

Стандарты электробезопасности

Соблюдение соответствующих стандартов электробезопасности является основой безопасной эксплуатации привода переменного тока. Эти стандарты определяют правильную установку, проводку, заземление и процедуры эксплуатации.

• Национальные и международные кодексы:
  • NEC (Национальный электротехнический кодекс – NFPA 70): В Северной Америке NEC предоставляет рекомендации по безопасному монтажу электроустановок, в том числе связанных с управлением двигателями и приводами.
  • Стандарты МЭК (Международная электротехническая комиссия): В глобальном масштабе решающее значение имеют различные стандарты МЭК. Например, серия IEC 61800 специально охватывает системы электропривода с регулируемой скоростью.
  • Местные правила: Всегда проверяйте и соблюдайте местные электротехнические нормы и правила и национальные правила Нидерландов или места установки.
• Рекомендации производителя: Всегда сверяйтесь и строго соблюдайте правила техники безопасности и инструкции по установке, приведенные в руководстве по приводу переменного тока. Они часто включают в себя конкретные предупреждения, разрешения и требования к проводке, уникальные для устройства.
• Квалифицированный персонал: Только обученный, квалифицированный и авторизованный персонал должен устанавливать, вводить в эксплуатацию, обслуживать приводы переменного тока или устранять неисправности. Эти люди должны обладать глубоким пониманием опасностей, связанных с электрическим током, процедур блокировки/маркировки и соответствующих стандартов безопасности.

Защита от вспышки дуги

Вспышка дуги — это опасное электрическое явление, которое может возникнуть, когда электрический ток покидает намеченный путь и перемещается по воздуху к другому проводнику или на землю. Это может привести к внезапному выбросу огромной тепловой энергии, света и давления, что приведет к серьезным ожогам, травмам или смерти. Приводы переменного тока с их высоким напряжением и возможностью возникновения неисправностей могут быть источниками опасности вспышки дуги.

• Оценка риска вспышки дуги: Проведите оценку риска вспышки дуги, чтобы выявить потенциальные опасности, определить уровни энергии инцидента и установить соответствующие безопасные методы работы и требования к средствам индивидуальной защиты.
• Предупреждающие этикетки: Убедитесь, что оборудование правильно маркировано знаками, предупреждающими о вспышке дуги, с указанием уровня опасности и необходимых СИЗ.
• СИЗ, рассчитанные на дуговую защиту: Персонал, работающий с электрическим оборудованием, находящимся под напряжением, или рядом с ним, включая приводы переменного тока, должен носить соответствующие средства индивидуальной защиты от дуги (AR), как определено оценкой риска.
• Обесточенная работа: По возможности обесточивайте и проверяйте нулевую энергию перед выполнением каких-либо работ. Если работа должна выполняться на оборудовании, находящемся под напряжением, строго следуйте разрешениям и процедурам на работу, находящуюся под напряжением.

Системы аварийной остановки

Надежные и легкодоступные системы аварийной остановки (E-stop) имеют решающее значение для быстрого отключения двигателя и привода в опасных ситуациях.

• Проектирование и реализация: Цепи аварийного останова должны быть спроектированы как функции управления, связанные с безопасностью, часто требующие резервных компонентов и мониторинга для обеспечения надежности (например, в соответствии со стандартом ISO 13849 по безопасности машин или IEC 62061).
• Проводные аварийные остановки: Кнопки аварийного останова, как правило, должны быть подключены к проводу, чтобы напрямую прерывать питание привода или использовать специальный вход безопасности, минуя программную логику, чтобы обеспечить немедленное и надежное отключение.
• Немедленное отключение: Аварийная остановка должна отключить питание двигателя и предотвратить дальнейшее движение.
• Местоположение и доступность: Кнопки аварийного останова должны быть четко обозначены, легко различимы и стратегически расположены в пределах досягаемости операторов и персонала в зонах, где находится оборудование.

Процедуры блокировки/маркировки

Блокировка/маркировка (LOTO) — это обязательная процедура безопасности, используемая для обеспечения правильного отключения опасного оборудования и невозможности повторного запуска до завершения работ по техническому обслуживанию или ремонту.

• Цель: Предотвращает случайное или несанкционированное повторное включение оборудования во время обслуживания или ремонта.
• Процедура:
  1. Подготовка: Уведомите затронутых сотрудников.
  2. Выключение: Выключите машину или оборудование.
  3. Изоляция: Отключите все источники энергии (электрические, гидравлические, пневматические и т. д.). Для приводов переменного тока это означает отключение основного источника питания.
  4. Применение блокировки/маркировки: Примените замки и бирки ко всем энергоизолирующим устройствам. Тег указывает, кто заблокировал устройство и почему.
  5. Высвобождение накопленной энергии: Безопасно высвободите или удерживайте любую накопленную энергию. Для приводов переменного тока это, в частности, означает проверку разряда конденсаторов шины постоянного тока до безопасного уровня напряжения.
  6. Проверка: Попытайтесь воспользоваться органами управления, чтобы убедиться, что машина не запустится. Проверьте нулевое напряжение на месте работы.
• Обучение: Весь персонал, участвующий в процедурах LOTO, должен быть соответствующим образом обучен и уполномочен.

При тщательном соблюдении этих мер безопасности риски, связанные с работой привода переменного тока, можно значительно свести к минимуму, создавая более безопасную рабочую среду и обеспечивая долговечность как персонала, так и оборудования.

11. Будущие тенденции в технологии приводов переменного тока.

Эволюция технологии приводов переменного тока происходит непрерывно, благодаря достижениям в области силовой электроники, цифровой обработки и средств связи. Поскольку отрасли стремятся к большей эффективности, интеллектуальности и интеграции, приводы переменного тока превращаются из изолированных контроллеров двигателей в сложные сетевые компоненты передовых экосистем автоматизации. Несколько ключевых тенденций формируют будущее технологии приводов переменного тока.

Повышенная интеграция с IoT (Интернетом вещей)

Распространение промышленного Интернета вещей (IIoT) оказывает глубокое влияние на приводы переменного тока, позволяя им стать более подключенными и перерабатывать данные.

• Встроенные возможности подключения: Будущие приводы будут все чаще оснащаться встроенными портами Ethernet и поддерживать различные протоколы IIoT (например, OPC UA, MQTT) непосредственно из коробки, что упростит интеграцию в более широкие корпоративные и облачные системы.
• Возможности периферийных вычислений: Диски становятся «умнее» на периферии, способными обрабатывать данные локально, а не отправлять все необработанные данные в облако. Это позволяет ускорить принятие решений, сократить задержки и снизить требования к пропускной способности для базовой аналитики.
• Удаленный мониторинг и контроль: Расширенные возможности подключения облегчают удаленный мониторинг производительности привода и двигателя, обеспечивая удаленное устранение неисправностей, настройку параметров и оптимизацию работы. Это особенно ценно для распределенных активов или объектов.
• Аналитика и визуализация данных: Диски будут способствовать созданию больших пулов данных, передавая информацию на аналитические платформы для отслеживания тенденций производительности, анализа энергопотребления и оптимизации процессов.

Интеллектуальные приводы с профилактическим обслуживанием

Используя возможности IIoT, приводы переменного тока становятся активными участниками стратегий прогнозного обслуживания, переходя от реактивного ремонта к упреждающему вмешательству.

• Интегрированные датчики: Будущие приводы могут включать более сложные внутренние датчики или легко интегрироваться с внешними датчиками (например, вибрации, температуры, акустики) на двигателе и приводимом оборудовании.
• Мониторинг состояния: Приводы будут собирать и анализировать данные в режиме реального времени, такие как анализ характеристик тока двигателя (MCSA), характер вибрации, температуры обмотки и температуры подшипников.
• Обнаружение аномалий: Встроенные алгоритмы и возможности машинного обучения будут анализировать эти данные, чтобы обнаружить незначительные аномалии или отклонения от нормальных режимов работы, которые указывают на предстоящий отказ оборудования.
• Оповещения и диагностика: При обнаружении аномалии привод может генерировать автоматические оповещения для обслуживающего персонала, предоставлять подробную диагностическую информацию и даже предлагать корректирующие действия, сводя к минимуму непредвиденные простои и оптимизируя графики технического обслуживания.
• Цифровые двойники: Данные со смарт-дисков будут использоваться в моделях цифровых двойников активов, что позволит моделировать различные условия эксплуатации и прогнозировать оставшийся срок службы.

Улучшенная энергоэффективность

Хотя современные приводы переменного тока уже обладают высокой эффективностью, текущие исследования и разработки продолжают расширять границы оптимизации энергопотребления.

• Полупроводники с широкой запрещенной зоной: Растущее внедрение новых полупроводниковых материалов, таких как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN), приведет к созданию приводов с еще меньшими потерями переключения, более высокой плотностью мощности и большей эффективностью. Эти материалы обеспечивают более высокие частоты переключения и работают при более высоких температурах.
• Расширенные алгоритмы управления: Постоянное совершенствование алгоритмов управления двигателями (например, дальнейшие усовершенствования в области оценки магнитного потока, адаптивного управления) позволит добиться еще большей эффективности двигателей при различных нагрузках и скоростях.
• Интегрированные решения по обеспечению качества электроэнергии: Будущие приводы смогут более эффективно интегрировать возможности активной фильтрации гармоник и коррекции коэффициента мощности, улучшая общее качество электроэнергии промышленных установок.
• Совместимость с сетью постоянного тока: Поскольку отрасли рассматривают возможность перехода к микросетям постоянного тока, приводы с собственным входом постоянного тока станут более распространенными, устраняя потери преобразования переменного тока в постоянный в точке подключения.

Возможности беспроводной связи

Снижение зависимости от проводных соединений для управления и сбора данных повысит гибкость и упростит установку.

• Интеграция беспроводной полевой шины: Приводы будут все чаще предлагать интегрированные Wi-Fi, Bluetooth или другие стандарты беспроводной промышленной связи (например, Wireless HART, ISA100 Wireless, промышленную беспроводную связь) для программирования, мониторинга и даже базового управления в менее важных приложениях.
• Ячеистые сети: Возможность формировать самовосстанавливающиеся ячеистые сети между приводами и другими устройствами повысит надежность и масштабируемость беспроводных систем автоматизации.
• Удаленный ввод в эксплуатацию: Возможности беспроводной связи могут способствовать более безопасному и эффективному удаленному вводу в эксплуатацию в опасных или труднодоступных местах.

Встроенная функциональность ПЛК

Тенденция к интеграции логики ПЛК непосредственно в привод будет расширяться, делая приводы еще более автономными и универсальными.

• Повышенная вычислительная мощность: Приводы будут оснащены более мощными процессорами, способными выполнять более сложные программы ПЛК.
• Стандартизированное программирование: Более широкое внедрение среды программирования IEC 61131-3 непосредственно внутри привода облегчит инженерам по управлению использование этой функциональности.
• Модульная функциональность: Приводы могут предлагать модульные программные блоки для конкретных приложений (например, управление последовательностями насосов, управление вентиляторами с помощью пожарных режимов), что сокращает затраты на программирование.
• Кибербезопасность: По мере того, как диски становятся более подключенными и интеллектуальными, надежные функции кибербезопасности (например, безопасная загрузка, шифрованная связь, контроль доступа) станут стандартными для защиты от несанкционированного доступа и киберугроз.

Будущее технологии приводов переменного тока указывает на создание высокоинтеллектуальных, взаимосвязанных и автономных устройств, которые не только управляют двигателями с беспрецедентной точностью и эффективностью, но также играют ключевую роль в более широком ландшафте интеллектуальных заводов, профилактического обслуживания и устойчивых промышленных операций.