Введение во внутренние компоненты частотно-регулируемого привода и схему подключения клемм.

Введение во внутренние компоненты частотно-регулируемого привода и схему подключения клемм.

Введение

Частотно-регулируемый привод (ЧРП) — это электрическое устройство управления, которое регулирует скорость асинхронного двигателя переменного тока путем изменения частоты подаваемого на него питания. Он широко используется в вентиляторах, насосах, конвейерах, станках и многих других промышленных областях. ЧРП обеспечивает бесступенчатую регулировку скорости и экономию энергии, а также плавный пуск и защиту двигателя от перегрузки. Для обеспечения безопасной и надежной работы с регулируемой скоростью инженерам необходимо понимать как внутренние силовые и электронные компоненты привода, так и правильную схему подключения основной цепи и клемм управления. В данной статье рассматриваются основные внутренние компоненты ЧРП, функции каждой группы клемм и требования к подключению, а также приводятся рекомендации по эксплуатации, соответствующие отраслевым стандартам.

1. Внутренние компоненты частотно-регулируемого привода

Частотно-регулируемый привод (ЧРП) обычно состоит из четырех основных частей: выпрямителя, промежуточной цепи постоянного тока (шины постоянного тока), инвертора и цепи управления, а также вспомогательных компонентов для охлаждения, фильтрации, предварительной зарядки и защиты.

1.1 Силовая (основная) цепь

1.1.1 Выпрямитель

Выпрямитель преобразует поступающий переменный ток фиксированной частоты в постоянный. В частотно-регулируемых приводах общего назначения обычно используется трехфазный мостовой выпрямитель. Трехфазный переменный ток обычно подается на выпрямительный мост через сеть демпфирующих конденсаторов и варисторов, которые поглощают высокочастотные гармоники и перенапряжения от сети переменного тока для защиты привода. Для трехфазной сети 380 В максимальное обратное напряжение выпрямительных устройств обычно составляет 1200–1600 В, а максимальный выпрямленный ток примерно в два раза превышает номинальный ток привода.

1.1.2 Промежуточная цепь постоянного тока (шина постоянного тока)

Промежуточная цепь постоянного тока фильтрует и сглаживает пульсирующий постоянный ток, вырабатываемый выпрямителем. Ее ядром является блок больших электролитических конденсаторов, которые накапливают и сглаживают энергию, обеспечивая стабильное напряжение постоянного тока для инвертора. Некоторые приводы оснащены реактором постоянного тока (подключаемым через клемму P1) для улучшения коэффициента мощности и снижения гармоник. Для применений, требующих быстрого торможения или частого запуска/остановки, к шине постоянного тока можно подключить тормозной блок и тормозной резистор для рассеивания рекуперативной энергии, вырабатываемой при замедлении двигателя, и предотвращения чрезмерного повышения напряжения на шине постоянного тока.

1.1.3 Инвертор

Инвертор является основной схемой привода. Обычно он состоит из шести силовых коммутирующих устройств (в современных приводах чаще всего используются IGBT, биполярные транзисторы с изолированным затвором), расположенных в трехфазном мостовом режиме. Под управлением схемы управления переключатели открываются и закрываются в заданной последовательности, преобразуя постоянный ток обратно в переменный ток с регулируемой частотой и напряжением. В приводах малой и средней мощности часто используются интегрированные интеллектуальные силовые модули (IPM), которые объединяют функции выпрямителя, инвертора, драйвера, датчика и защиты, с типичной частотой переключения до 20 кГц.

1.2 Схема управления

Схема управления получает внешние команды и заданные значения скорости и координирует работу основной схемы. Она включает в себя следующие основные компоненты:

Плата управления: на базе микропроцессора (ЦП/ЦСП), отвечающая за опорную частоту, алгоритмы управления, управление параметрами и логику защиты от неисправностей;

Плата управления затвором: усиливает управляющие сигналы и надежно включает и выключает IGBT-транзисторы;

Импульсный источник питания: преобразует напряжение шины постоянного тока в низковольтное стабилизированное напряжение для платы управления и датчиков;

Датчики тока/напряжения: обычно это датчики Холла, измеряющие выходной ток (как правило, двухфазный) и напряжение шины постоянного тока для управления с обратной связью по току и защиты от перегрузки по току/перенапряжения;

Клавиатура/дисплей: используется для установки параметров, контроля частоты и индикации неисправностей.

1.3 Вспомогательные и защитные компоненты

Система охлаждения: поскольку модули IGBT и выпрямительный мост выделяют значительное количество тепла, привод оснащен вентилятором и радиатором для поддержания рабочих температур устройств в допустимом диапазоне;

Фильтры и реакторы электромагнитной совместимости (ЭМС): подавляют электромагнитные помехи (ЭМП) и улучшают форму входного тока;

Схема предварительной зарядки/ограничения пускового тока: конденсаторы шины постоянного тока заряжаются через ограничивающий резистор при первом включении питания, а реле обходит резистор после зарядки для ограничения пускового тока;

Тормозной блок: работает совместно с тормозным резистором для рассеивания рекуперативной энергии, обеспечивая быстрое торможение.

2-контактная схема подключения частотного преобразователя

Клеммы частотно-регулируемых приводов делятся на клеммы основной цепи и клеммы управления. Правильная идентификация каждой клеммы и подключение её в соответствии со спецификацией являются необходимым условием для безопасной и стабильной работы.

2.1 Клеммы главной цепи

В таблице ниже показаны распространенные клеммы главной цепи и их функции:

Требования к проводке основной цепи:

Подключайте входное питание только к клеммам R, S, T (трехфазное) или L, N (однофазное), а двигатель — только к выходным клеммам U, V, W. Никогда не подключайте вход переменного тока к клеммам U/V/W, иначе внутренние компоненты привода будут повреждены.

Клемма заземления должна быть надежно заземлена. Заземляющий проводник должен быть коротким, толстым и иметь низкое сопротивление, в идеале — того же сечения, что и силовые проводники.

Клеммы шины постоянного тока (P+, P-) и тормозного резистора находятся под опасным высоким напряжением. К ним должны прикасаться только квалифицированные специалисты, и ни в коем случае нельзя прикасаться к ним, когда они находятся под напряжением.

2.2 Клеммы управления

Клеммы управления принимают внешние команды, такие как запуск, остановка, движение вперед/назад и выбор многоскоростного режима (цифровые входы, DI), или сигналы опорной скорости/частоты (аналоговые входы, AI, например, напряжение 0–10 В или ток 4–20 мА), и выдают сигналы о рабочем состоянии и неисправности на ПЛК или в главную систему (релейные/транзисторные выходы, RO). Обычно также предусмотрен источник питания +24 В, общий вывод COM/0 В и вывод опорного напряжения +10 В.

2.2.1 Подключение цифрового входа (DI)

Цифровые входы обычно управляются сухими контактами. Режим подключения NPN (приемник) или PNP (источник) выбирается параметром. При использовании внешнего источника питания 24 В отрицательный вывод внешнего источника питания следует подключить к выводу 0V/COM привода для установления общего потенциала.

2.2.2 Подключение аналогового входа (AI)

Сигналы напряжения (0–10 В) и сигналы тока (0–20 мА или 4–20 мА) обычно используют одни и те же клеммы; тип входа выбирается с помощью DIP-переключателя и параметров. Для аналоговых сигналов следует использовать экранированный кабель витой пары с заземленным экраном на одном конце для повышения помехоустойчивости.

2.2.3 Схема подключения релейного/транзисторного выхода (RO)

Релейные выходы подают сигналы, такие как работа, достижение скорости и неисправность. Типичные номинальные напряжения контактов составляют порядка 250 В переменного тока/3 А или 30 В постоянного тока/1 А; см. руководство пользователя для конкретной модели.

2.3 Правила и меры предосторожности при электромонтаже

Надежное заземление: необходимо обеспечить прямое заземление привода и двигателя, чтобы избежать электромагнитных помех (ЭМП) и высокочастотных токовых перекрестных помех, вызванных плохим заземлением.

Экранированный кабель: для входного и выходного кабелей двигателя предпочтительнее использовать экранированный кабель, при этом экран должен быть надлежащим образом заземлен.

Разделение силовых и контрольных проводов: контрольные и коммуникационные кабели не должны прокладываться в непосредственной близости от силовых кабелей (выше 50 В) и параллельно им. Если параллельная прокладка неизбежна, следует соблюдать максимально возможное расстояние (рекомендуется около 50 мм или более) и пересекать кабели под углом 90° в местах их обязательного пересечения.

Раздельная проводка входа и выхода: держите входные кабели привода отдельно от выходных кабелей двигателя, чтобы предотвратить проникновение высокочастотных помех ШИМ в управляющие сигналы.

Меры предосторожности: перед подключением проводов или проведением технического обслуживания отключите входное питание и дождитесь разрядки конденсаторов шины постоянного тока.

3 Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В1: Можно ли подключить вход переменного тока к клеммам U, V, W? Нет. R/S/T (или L/N) — это клеммы ввода питания, а U/V/W — клеммы вывода двигателя; перепутывание клемм приведет к повреждению привода.

В2: Для чего нужны клеммы шины постоянного тока P+ и P-? P+/P- — это положительная и отрицательная клеммы шины постоянного тока для подключения внешнего тормозного устройства; между P+ и PB можно подключить тормозной резистор.

В3: Следует ли использовать аналоговый опорный сигнал 0–10 В или 4–20 мА? Оба варианта приемлемы; выбор зависит от требований к полевому оборудованию и управлению, а соответствующий тип и диапазон входного сигнала должны быть заданы в параметрах.

В4: Зачем нужен экранированный кабель для частотно-регулируемого привода? Выходное напряжение двигателя представляет собой высокочастотное ШИМ-напряжение; экранированный кабель подавляет электромагнитные помехи (ЭМП) и предотвращает их воздействие на сигналы управления и другое оборудование.

В5: Почему необходимо дождаться разряда перед подключением проводов? Электролитические конденсаторы шины постоянного тока накапливают энергию высокого напряжения и остаются заряженными после отключения питания; ожидание разряда необходимо для предотвращения поражения электрическим током.

4. Заключение

Частотно-регулируемый привод (ЧРП) состоит из четырех основных частей — выпрямителя, промежуточной цепи постоянного тока, инвертора и цепи управления — а также вспомогательных компонентов для охлаждения, фильтрации, предварительной зарядки и защиты. Правильное определение клемм основной цепи (R/S/T, U/V/W, P+/P-, PB, P1, G) и клемм управления (DI, AI, RO, +24V/COM и т. д.), а также соблюдение правил электромонтажа, таких как надежное заземление, экранирование и разделение силовой и управляющей проводки, являются залогом безопасной, стабильной и долговечной работы привода.

5 ссылок

[1] Elecfans, «Четыре основных компонента и принцип работы частотно-регулируемого привода», http://www.elecfans.com/d/1864805.html

[2] Shanghai Jinxin, «Подробное объяснение структуры основной цепи частотно-регулируемого привода», https://www.jinxinservice.com/maintainance/2518.html

[3] Шанхай Цзиньсинь, «Как использовать клеммы частотно-регулируемого привода», http://www.jinxinservice.com/maintainance/2421.html

[4] Центр промышленной поддержки Siemens, «Схема подключения MM430» и «Метод подключения цифрового входа», https://www.ad.siemens.com.cn

[5] Eaton, Примечание к применению AP040076EN «Рекомендации по подключению частотно-регулируемых приводов», 2014 г.

[6] ABB, Техническая записка 138 «Практики монтажа проводки приводных систем в Северной Америке»

[7] Phase Technologies, «Анатомия частотно-регулируемого привода», https://www.phasetechnologies.com/support/educational

[8] Различные руководства пользователя VFD (определения клемм основной цепи: R/S/T, U/V/W, P+/P-, PB, P1, G)