Промышленные преобразователи частоты NORD

Почему в промышленном электроприводе нашли такое широкое применение преобразователи частоты? В чем смысл применения этих технически сложных устройств и каковы их возможности, помимо своей основной функции – изменения частоты вращения электродвигателей?

Первый электродвигатель постоянного тока был разработан в 1834 году. Системы электропривода начали применяться в промышленности с 1890-х годов, однако их доля составляла всего около 5%. К 1930-м годам эта цифра выросла примерно до 70%, а к 1970-м практически достигла 100%. На первом этапе, все электроприводы были постоянного тока, поскольку переменный ток на тот момент был еще неизвестен. В 1882 году была предложена концепция вращающегося магнитного поля, а годом позже создан первый прототип двухфазного электродвигателя на переменном токе. Несколько лет спустя была разработана система трехфазного тока и предложен принцип трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором (АДКЗ), который без изменений используется и по сей день. В настоящее время, в большинстве систем промышленного электропривода применяются четырехполюсные АДКЗ, синхронная частота вращения которых при стандартной частоте тока 50 Гц составляет 1500 об/мин.

Основной недостаток трехфазного АДКЗ – жесткая привязка частоты его вращения к частоте питающей сети (50 или 60 Гц). Возможные пути решения этой проблемы - применение асинхронного двигателя с фазным ротором или АДКЗ с переключением числа полюсов. В первом случае возможна плавная регулировка оборотов, а во втором – ступенчатая. Однако, в обоих случаях усложняется конструкция и стоимость двигателя. В прошлом также широко применялись мотор-генераторы - электромеханические преобразователи частоты (ПЧ), в которых двигатель постоянного тока приводил во вращение трехфазный генератор, к которому, в свою очередь, подключался АДКЗ.

Все изменилось с изобретением в 1970-х годах биполярных транзисторов, способных коммутировать очень высокие токи – вплоть до 1000 А. Появившаяся возможность переключения больших токовых нагрузок с высокой частотой привело к идее разработки на их базе электронных ПЧ. В современных электронных ПЧ, переменное напряжение стандартной частоты 50 или 60 Гц преобразовывается в постоянное, а затем вновь в переменное, но уже нужной частоты, с использованием широтно-импульсной модуляции: выходное синусоидальное напряжение формируется за счет импульсов с одинаковой амплитудой и частотой, но с разной длительностью. Чем "шире" импульс, тем выше выходное напряжение.

Рис.1. Принцип широтно-импульсной модуляции

Обычно ПЧ формирует не менее 3-4 тыс. импульсов в секунду, что позволяет получить на выходе переменное напряжение нужной частоты практически идеальной синусоидальной формы. Длительностью импульсов управляет микропроцессор ПЧ, в нужный момент "отпирая" или "запирая" нужный транзистор. Электронные ПЧ не имеют подвижных частей, а поэтому не требуют обслуживания, отличаются высокой надежностью, высоким КПД (до 98%) и длительным сроком службы.

Немецкая компания Getriebebau NORD GmbH занимается разработкой и производством электронной приводной техники с 1984 года. В 2005 году в г. Аурих было создано отдельное подразделение NORD Electronic Drivesystems и открыто новое производство преобразователей частоты. В преобразователях, выпускаемых под торговой маркой NORDAC, используются комплектующие только европейских производителей. В настоящее время выпускаются три серии преобразователей: SK 180E и SK 200E (децентрализованное исполнение для установки непосредственно на приводе, мощность до 22 кВт, степень защиты IP55/IP66) и SK 500E (шкафное исполнение, до 160 кВт, IP20).

Преобразователи серии SK 500E предназначены для установки в шкаф управления, а серии SK 180E и 200Е - на клеммную коробку электродвигателя. Их основное преимущество – более высокая степень защиты, что позволяет устанавливать их во влажных и пыльных средах, а минимальная рабочая температура -25°С и степень защиты IP66 позволяет эксплуатировать их и на открытом воздухе. За счет установки ПЧ непосредственно на приводе можно уменьшить размер шкафа управления, а в ряде случаев - например, в простом оборудовании с одним приводом - вообще отказаться от него. Децентрализованные ПЧ серии SK 180E и 200Е также выпускаются во взрывозащищенном исполнении (ATEX, зона 22 3D).

Рис.2. Преобразователь серии SK 500E

Рис.3. Основные характеристики частотных преобразователей NORDAC

К базовым функциям всех ПЧ относится плавный пуск и останов двигателя, векторное управление без датчика положения вала двигателя, управление электромеханическим тормозом двигателя, ПИД-регулятор, несколько наборов сохраняемых параметров, автоматическое направление намагничиванием (энергосберегающая функция), мониторинг параметров электродвигателя. В ряде моделей есть встроенный интерфейс CANopen и AS-interface. В частности, это позволяет объединить несколько ПЧ в сеть и организовать их синхронную совместную работу (рис. 4 и 5).

Рис.4. Совместная работа двух ПЧ в режиме Master / Slave для выравнивания изделий на конвейере

Рис.5. Совместная работа двух ПЧ в режиме позиционирования для перемещения изделий с одного конвейера на другой

Некоторые модели имеют такие дополнительные функции, как безопасный останов, абсолютное и относительное позиционирование, встроенный программно-логический контроллер (ПЛК), возможность подключения датчика угла поворота вала электродвигателя (энкодера). Энкодер обеспечивает обратную связь по частоте вращения, что позволяет повысить точность регулировки частоты вращения и поддержания крутящего момента на валу на малых оборотах электродвигателя. Кроме того, сигнал с энкодера используется ПЧ при работе в режиме позиционирования.

На любой ПЧ можно установить дополнительные модули расширения, например, панели управления или интерфейсные модули. Встроенные аналоговые и дискретные входы и выходы, а также соответствующие интерфейсные модули (CANopen, Profibus, DeviceNet и т.д.) позволяют интегрировать ПЧ в существующие или создаваемые системы автоматизации.

Рис.6. Модули расширения для ПЧ серии SK 500E

Преобразователи частоты NORDAC всех серий имеют одинаковые наборы параметров, что упрощает их настройку и диагностику. Для настройки и управления ПЧ предусмотрены кнопочные панели управления с ЖК-дисплеем, устанавливаемые на его переднюю панель или подключаемые к диагностическому разъему RJ-12.

Второй вариант настройки и диагностики – использование программы NORD CON. С ее помощью можно считывать, изменять и записывать наборы параметров ПЧ, создавать их резервные копии и переносить параметры с одного ПЧ на другой. К дополнительным функциям NORD CON относится возможность ручного управления ПЧ, визуальное отображение и мониторинг его текущих параметров, а также отдельный модуль для создания, отладки и загрузки программ во встроенный ПЛК. Подключение ПЧ к компьютеру с установленной программой производится через встроенный интерфейс RS-485. Одновременно можно подключать до 31 преобразователя частоты.

Преобразователи частоты NORDAC используются для управления приводами в подъемном, лифтовом, насосном и вентиляционном оборудовании, конвейерных и транспортных системах, перемешивающих устройствах, а также во многих других областях.