Jak funguje frekvenční měnič pro elektromotor?

Frekvenční měnič je zařízení určené k regulaci otáček (frekvence otáčení) elektromotoru. Použití frekvenčního měniče umožňuje plynule měnit rychlost otáčení rotoru, a to buď zvýšením nebo snížením oproti jmenovité.

V moderním průmyslu se rozšířilo používání frekvenčních měničů. Tato metoda umožňuje zaručit stabilní provoz motoru v různých podmínkách. Frekvenční měniče jsou dnes high-tech řešení, která jsou vysoce spolehlivá a mají širokou škálu možností. Používají se k ovládání asynchronních elektromotorů, které pohánějí zařízení, jako jsou čerpadla, dopravníky, ventilátory a mnoho dalšího.

Výhody frekvenčních měničů

Klíčovou výhodou frekvenčního měniče je možnost nahradit stejnosměrný pohon. Frekvenční měnič, který pracuje v tandemu s asynchronním motorem, nahrazuje asynchronní motor, což poskytuje významné výhody během provozu, protože stejnosměrný pohon je nejslabším článkem v systému řízení rychlosti otáčení. Tento typ elektrického pohonu má nízkou spolehlivost. Kartáče, které jsou součástí jeho konstrukce, mají tendenci jiskřit, což nejen představuje bezpečnostní riziko, ale také urychluje opotřebení. Stejnosměrné pohony se nesmí používat ve velmi prašných prostorách nebo tam, kde je ve vzduchu značná koncentrace výbušných plynů. Konečně, náklady na takový pohon jsou poměrně vysoké.

Asynchronní elektromotor s frekvenčním regulátorem má následující výhody:

• jednodušší design
• dostupná cena,
• spolehlivost díky absenci pohyblivých kontaktů,
• dlouhou životnost
• kompaktnost a snadná instalace s podobným výkonem,
• menší hmotnost.

Asynchronní elektromotory jsou poměrně jednoduché na výrobu a nenáročné na údržbu. Pokud jde o nevýhody, hlavní zůstává obtížnost zajištění změn rychlosti v provozním režimu. Asynchronní motor bohužel neumožňuje použití klasického řešení tohoto problému (změna napětí pomocí přídavných odporů v obvodu vinutí). V tomto případě přicházejí na pomoc regulátory frekvence.

Navzdory skutečnosti, že teoretické principy takové regulace byly vyvinuty téměř před 100 lety, byly v praxi realizovány relativně nedávno. Hlavním důvodem bránícím takové realizaci zůstala vysoká cena výroby asynchronních motorů s frekvenčním měničem a jejich nízká poptávka na trhu.

Nicméně příchod elektrických obvodů obsahujících IGBT tranzistory (také známé jako bipolární tranzistory s izolovaným hradlem nebo výkonové systémy založené na mikroprocesorech) způsobil revoluci. Evropským a americkým výrobcům se podařilo zachovat všechny výhody frekvenčních měničů a zároveň snížit jejich cenu. Od té chvíle si frekvenční měniče získaly širokou oblibu.

Typy ovládání

V současnosti je na trhu několik typů frekvenčních měničů. Samotné řízení asynchronního motoru lze provádět různými způsoby, ale nejoblíbenější je metoda vektorového řízení.

Typ regulace pomocí frekvenčního měniče přímo závisí na tom, do jaké třídy měnič patří. Všechny regulátory frekvence lze rozdělit do několika podtříd. Seskupování je možné podle následujících kritérií:

• způsob ovládání – automatické nebo ruční ovládání,
• typ výstupní zátěže – na tomto základě jsou všechny regulátory frekvence rozděleny na mechanismy pro elektromotory pro všeobecné průmyslové použití, pro pohony ventilátorů a čerpadel, jakož i pro motory, které jsou navrženy pro provoz za podmínek pravidelného přetížení.
• Nejnovější frekvenční měniče se od sebe liší také dostupnou funkčností. Kromě různých typů ovládání (ruční i automatické) mohou mít potenciometr a být vybaveny systémem pro nastavení výstupního frekvenčního rozsahu (v rozsahu 0 až 800 Hz).

Nejnovější frekvenční měniče se od sebe liší také dostupnou funkčností. Kromě různých typů ovládání (ruční i automatické) mohou mít potenciometr a být vybaveny systémem pro nastavení výstupního frekvenčního rozsahu (v rozsahu 0 až 800 Hz).

Princip

Podívejme se dále na princip činnosti frekvenčních měničů.

Hlavní úkoly, které frekvenční měnič řeší, jsou následující:

• automatická změna rychlosti otáčení elektromotoru zpracováním signálů z periferních senzorů,
• spuštění pohonu podle zadaných nastavení,
• automatické udržování specifikovaných provozních vlastností a obnovení nastavení v případě výpadků proudu,
• dálkové ovládání (pomocí dálkového ovládání),
• ochrana motoru proti přetížení.

Níže uvedený vzorec popisuje princip regulace frekvence asynchronního elektromotoru:

Význam tohoto principu je následující. Změnou frekvence vstupního napětí můžete také změnit úhlovou rychlost magnetického pole statoru. Počet párů tyčí zůstává nezměněn. Tato metoda umožňuje dosáhnout optimálních provozních parametrů elektromotoru. Kromě toho má asynchronní motor s frekvenčním měničem také optimální indikátory řízení frekvence, a to:

• plynulá regulace rychlosti v širokém rozsahu,
• vysoká mechanická tuhost,
• nastavení otáček hřídele při zachování úrovně skluzu a s minimálními ztrátami výkonu.

Pokud jde o podmínky, za kterých je možná regulace frekvence asynchronního motoru, je zde klíčová současná změna napětí s rychlostí otáčení. To je nezbytné pro zvýšení energetických charakteristik motoru, jako je účinnost, odolnost proti přetížení, účiník atd.

Zohledněny technické parametry

Při výběru frekvenčního měniče je třeba vzít v úvahu následující technické vlastnosti, protože ovlivňují provoz motoru:

• rozsah změn je mezí, ve kterých je regulace možná. Rozsah změn se vypočítá jako poměr minimální a maximální rychlosti otáčení.
• Úroveň plynulosti řízení – tento parametr je vypočítán s přihlédnutím k minimálnímu skoku otáček hřídele při změně mechanických charakteristik.
• Změna směru otáčení nebo zóna nastavení. Při použití frekvenčního měniče se mění i charakteristika jeho charakteristiky elektromotoru za jmenovitých provozních podmínek. Motor s frekvenčním měničem má jiné vlastnosti, které se liší od standardních.

Základní pravidla frekvenční regulace

Maximální nová frekvence při použití měniče je dána jeho mechanickými vlastnostmi. Čím vyšší je nová rychlost otáčení, tím lepší jsou energetické charakteristiky asynchronního motoru. V tomto ohledu má při použití obvodů s převodovkou smysl provádět regulaci se změnou frekvence v obou směrech (nahoru i dolů).

Musíte také mít na paměti následující. Při zrychlování otáčení (vzhledem k jmenovitým otáčkám) by frekvence zdroje proudu neměla překročit jmenovitou frekvenci více než dvakrát.

Regulace frekvence asynchronních motorů se vyplatí i v systémech s rotorem nakrátko. Absence prokluzu v tomto případě umožňuje minimalizovat ztráty výkonu a výstupní mechanické vlastnosti si zachovávají vysokou tuhost.

Výhody elektromotorů s frekvenční regulací

Klíčovou výhodou je vysoký pádový moment, který zajišťuje stabilní provoz elektromotoru a všech připojených zařízení v nejširším frekvenčním rozsahu.

Použití elektromotorů s frekvenčními měniči tedy umožňuje vyloučit z okruhu řadu mechanismů, které snižují výkon, a tím získat vysokou účinnost.

Principy regulace frekvence

Regulace frekvence u střídavých elektromotorů je založena na principu spojení mezi úhlovou rychlostí, která charakterizuje rotaci pole statoru, a frekvencí napájecího napětí. Změna frekvenčních parametrů napětí má tedy za následek změny úhlové rychlosti.

Posledně jmenovanou hodnotu lze vyjádřit následujícím vzorcem:

ve kterém f₁ je frekvence napětí napájejícího vinutí statoru, p je počet pólových párů ve vinutí statoru.

Z tohoto vztahu vyplývá, že při změně frekvence napájecího napětí je možné měnit úhlovou rychlost. A to bude mít za následek změnu rychlosti rotoru v motoru.

Výše popsaný princip umožňuje použití high-tech, ale zároveň velmi jednoduchých a spolehlivých asynchronních elektromotorů s rotorem nakrátko v moderních pohonech. Vysoké technické vlastnosti těchto motorů a zejména systémů s frekvenčními měniči vedly k jejich širokému použití.