Частотное регулирование однофазного асинхронного двигателя

Частотное регулирование однофазного асинхронного двигателя

Частотное управление электроприводами активно развивается и все чаще можно услышать о новом методе управления, или улучшенном частотнике, или о внедрении частотного электропривода в какой-то сфере, где ранее никто и подумать не мог что это возможно. Но это факт!

Если мы внимательно рассмотрим электродвигатели, к которым применяют частотное регулирование – то это асинхронные или синхронные трехфазные двигатели. Существует несколько разновидностей преобразователей частоты. Но ведь есть и однофазные асинхронные машины, почему прогресс не касается их? Почему частотное управление не применяют так активно к однофазным машинам? Давайте рассмотрим.
Содержание:

Схема регулятор мотора на симисторе и U2008

Схема модуля системы регулирования основана на генераторе ШИМ импульсов и симисторе управления мотором — классическая схемотехника для подобных устройств. Элементы D1 и R1 обеспечивают ограничение величины напряжения питания до значения безопасной для питания микросхемы генератора. Конденсатор C1 отвечает за фильтрацию напряжения питания. Элементы R3, R5 и P1 являются делителем напряжения с возможностью его регулирования, который используется для задания величины мощности, подаваемой в нагрузку. Благодаря применению резистора R2, непосредственно входящего в цепь поступления на м/с фазы, внутренние блоки синхронизированы с симистором ВТ139.

Печатная плата

На следующем рисунке показано расположение элементов на печатной плате. Во время монтажа и запуска следует обратить внимание на обеспечение условий безопасной работы — регулятор имеет питание от сети 220В и его элементы непосредственно подключены к фазе.

Схема частотного преобразователя

Рассмотрим основные структурно-функциональные узлы преобразователя частоты:

1. Силовая часть — выполняет изменение характеристик входного напряжения для достижения требуемой скорости вращения двигателя.
2. Управляющий процессор — «мозг» частотника, координирует работу всех остальных узлов. Управляет силовой частью, задавая алгоритм преобразования входного напряжения в выходное.
3. Интерфейс пользователя — может состоять из кнопок, ручек, цифровых и текстовых табло. Необходим для настройки преобразователя, задания требуемой частоты вращения двигателя и других параметров. На графическом табло отображается текущее состояние частотника (заданная скорость вращения, ток двигателя и др.).
4. Цифровой интерфейс — аналог интерфейса пользователя. Позволяет подключиться к преобразователю дистанционно, используя один из поддерживаемых протоколов, и управлять, настраивать, анализировать состояние частотника с удалённого ПК (пульта оператора).
5. Дискретные входы — могут быть задействованы для управления частотником с помощью внешних дискретных сигналов. Например, можно назначить на каждый дискретный вход определённую частоту, с которой должен крутиться двигатель. Допустим частотник имеет пять входов. Настраиваем на 1 вход 10 Гц, 2 — 20 Гц, …, 5 — 50 Гц, и подключаем к каждому входу кнопку — тогда при нажатии на соответствующую кнопку преобразователь будет принимать соответствующую частоту в качестве заданной.
6. Аналоговые входы — могут применяться для управления частотой с помощью внешнего аналогового унифицированного сигнала (4-20 мА или 0-10 В). Допустим, в системе вентиляции необходимо менять частоту вентилятора в зависимости от температуры воздуха. Для этого можно применить датчик температуры с аналоговым сигналом на выходе, подключив его к соответствующему входу частотника, и настроить преобразователь на управление от аналогового входа. Тогда при увеличении температуры, будет происходить увеличение скорости вращения вентилятора.
7. Дискретные выходы — могут использоваться для регистрации различных событий (информационных или аварийных). Например можно настроить, чтобы выход срабатывал, когда преобразователь достиг заданной частоты, произошёл перегрев двигателя и т.д.
8. Аналоговые выходы — используются для передачи другим устройствам текущих непрерывных параметров частотника (частоты вращения, тока, теплового состояния и др.).

Разновидности частотных преобразователей

Современные частотные преобразователи различаются многообразием схем, которые можно сгруппировать в несколько категорий:

1. Высоковольтные двухтрансформаторные

Принцип работы такого прибора заключается в последовательном преобразовании напряжения при помощи понижающего и повышающего трансформатора, преобразования частоты низковольтным преобразователем, а также сглаживание пиковых перенапряжений на выходе с помощью синусоидального фильтра. Схема работы выглядит следующим образом: питающее напряжение 6000 В подается на понижающий трансформатор и на его выходе получают 400 (660) В, далее оно подается на низковольтный преобразователь и после изменения частоты подается на повышающий трансформатор для увеличения значения напряжения до начального.

1. Тиристорные преобразователи

Такие устройства состоят из многоуровневых частотных преобразователей на основе тиристоров. Конструктивно они состоят из трансформатора (обеспечивающего понижение питающего напряжения), диодов (для выпрямления) и конденсаторов (для сглаживания). Также для уменьшения уровня высших гармоник применяют многопульсные схемы.

Тиристорные преобразователи имеют высокий КПД до 98 % и большой диапазон выходных частот 0-300 Гц, что для современного оборудования является положительной и востребованной характеристикой.

1. Транзисторные частотные преобразователи

Такие частотные преобразователи являются высокотехнологичными устройствами, которые собираются на транзисторах различного типа. Конструктивно они имеют транзисторные инверторные ячейки и многообмоточный сухой трансформатор специальной конструкции. Управляют таким преобразователем с помощью микропроцессора, что позволяет тонко настраивать работу оборудования и контролировать весь процесс работы различных двигателей. Транзисторные частотные преобразователи, так же, как и тиристорные, имеют высокий КПД и широкий диапазон регулирования частоты.

Этапы программирования и настройки частотного преобразователя

Выделим минимальный набор действий по настройке параметров преобразователя частоты:

1. Ввод паспортных данных электродвигателя в ПЧ;
2. Ввод принципа регулирования:
   • Постоянная частота;
   • Переменная частота – если выбран этот вариант, то требуется указать источник задания скорости вращения.
3. Задать канал управления – то есть источник, откуда будет приходить команда запуска и останова.

После выполнения данных действий двигатель можно запустить, при этом следует убедиться в правильности вращения. Если вращение осуществляется неправильно, это можно изменить переключением фазных проводов или с помощью настройки частотного преобразователя.

Управление частотным преобразователем по Modbus

2021-05-25 Промышленное 3 комментария

В данной статье рассмотрим, как настроить управление частотным преобразователем по сети Modbus RTU, на примере преобразователя Danfoss VLT Micro Drive и ПЛК Segnetics Pixel 2511.

И сразу надо отметить, что реализация связи частотного преобразователя с ПЛК возможна несколькими способами, одним из которых является соединение по коммуникационной шине.

Преимуществом такого способа управления по сравнению с управлением через дискретные, или аналоговые сигналы, является существенная экономия на проводах, кабеле, так как в данном случае достаточно будет витой пары, плюс экономия аппаратных средств контроллера, так как нет необходимости задействовать дополнительные входы/выходы. Кроме того, сокращается время на монтаж.

Поэтому данный способ управления вполне оправдан и часто используется во многих системах АСУ и ТП.

Перед тем, как мы перейдем непосредственно к практической части, предлагаю для начала немного поговорить об общих принципах управления ПЧ через последовательный интерфейс RS-485 по протоколу Modbus.

Данный протокол подразумевает под собой соединение устройств по типу «ведущий-ведомый» (master-slave). В качестве ведущего устройства применяется ПЛК, ведомого – ПЧ, причем к сети могут быть подключены сразу несколько ведомых устройств, а точнее до 32. Главное, чтобы каждое устройство имело свой уникальный адрес в сети.

То есть при таком подключении только контроллер может управлять ПЧ, но не наоборот.

Для удаленной работы с приводом нам понадобится таблица адресации регистров Modbus, или по другому, карта памяти регистров. Естественно, что для различных моделей ПЧ, она будет своя.

Для задания команд приводу (запуск, останов, реверс, работа с различными предустановленными скоростями) используются регистры данных, называемые командное слово (CTW), которые представляет собой набор битов, каждый бит из которых отвечает то или иное действие, которое необходимо произвести с ПЧ.

Для контроля текущих значений частотного преобразователя используются регистры, называемые слово состояния (STW). Это набор битов, каждый бит которых определяет, в каком состоянии находится тот или иной параметр.

Помимо этого, для работы могут быть задействованы регистр основного текущего значения преобразователя частоты (MAV), значение которого представляет собой фактическую частоту вращения привода и регистр задания по интерфейсу (REF), отвечающий за задание частоты.

Кроме того, ПЛК и ПЧ могут обмениваться и другой информацией, например значениями сигналов с датчиков и исполнительных механизмов, подключенных к приводу, или уставки ПИД-регулятора.

Схема подключения

Для физического подключения по RS-485 интерфейсу, должны быть задействованы две клеммы, причем у разных устройств они могут иметь разное обозначение. “+” клемма может обозначаться как DATA+, D1, D+, B, а “-” как D- , D0, Data- , A. Третья клемма – общая COM, обозначаемая как SG, либо GND.

Кстати, здесь может возникнуть путаница. Дело в том, что ряд производителей обозначает как A (+), а B соответственно (-), другие же наоборот A (-) а B (+). Так что при подключении будьте внимательны.

В случае Danfoss VLT Micro Drive и Segnetics Pixel подключение будет следующее:

И не забывайте про оконечные резисторы, они же терминаторы. Они устанавливаются на концах линии — крайних устройствах, подключенных к сети, в случае, если длина линии превышает 3 метра. Номинал резисторов для линии RS-485 обычно 120 Ом. Зачастую эти резисторы уже встроены в ПЧ, для включения их в работу необходимо только выставить джамперы, либо DIP- переключатели.

Ну а теперь перейдем непосредственно к практической части. Для реализации нашей задачи необходимо предварительно настроить оба устройства.

Настройка частотного преобразователя

Первоначальную настройку преобразователя Danfoss VLT Micro Drive можно выполнить с панели оператора, либо с помощью программы настройки MCT-10 через коммуникационный порт RS485.

В первую очередь необходимо установить протокол передачи данных, сетевой адрес устройства, для идентификации в сети, скорость передачи данных и контроль четности.

При изменении протокола обмена связи, преобразователь необходимо будет перезапустить. Управление преобразователем по Modbus возможно, только если он переведен из режима Hand (ручное или местное управление) в Auto (дистанционное).

Настройка ПЛК Segnetics Pixel

Для настройки и программирования будем использовать SMLogix – программное обеспечение для всей линейки контроллеров Segnetics, в том числе для Pixel.

В первую очередь надо настроить параметры связи, в нашем случае это Modbus адрес и скорость передачи данных. Для этого на вкладке Устройство выбираем наш контроллер, жмем правой кнопкой мыши и выбираем Свойства.

Откроется окно Свойства контроллера, которое имеет несколько вкладок. Переходим на вкладку Сетевые Параметры и задаем необходимые значения.

Добавим в проект устройство Slave. На вкладке Устройство находим порт COM1, кликаем правой кнопкой и выбираем Добавить устройство. В открывшемся окне выбираем способ создания с пустой картой памяти.

После нажатия кнопки Создать появится окно задания свойств.

Здесь мы задаем имя устройства, сетевой адрес, контроль четности, стоповые биты. Все параметры выставляем также, как при настройке преобразователя. Кроме того можно задать Таймаут — время в миллисекундах, в течение которого ожидается ответ от слейв устройства перед ошибкой связи. По умолчанию это 100 мс.

Нажимаем кнопку Готово. После этого в дереве проекта появится наше устройство VLT_51_1.

Теперь создаем карту памяти, то есть указываем адреса параметров, которые будут необходимы при создании проекта.

Правой кнопкой нажимаем на созданном устройстве и выбираем Карта памяти устройства. Добавляем те значения, которые мы будем использовать.

Здесь есть один важный момент. Дело в том, что адреса параметров, указанных в документации ПЧ Danfoss, необходимо указывать со смещением, то есть вычитать единицу из адреса. Например, в документации ПЧ указан номер регистра командного слова 50000. Так вот, нам надо вычесть из этого значения 1 и полученное значение 49999 и будет являться адресом параметра.

Также в карте памяти указываем тип переменных, указываем функцию чтения записи значений R/W, она соответствует функции Holding register.

Для того, чтобы определить адрес требуемого регистра, необходимо воспользоваться следующей формулой:

Номер регистра = Номер параметра х 10-1

Например, параметр 8-31, указывающий сетевой адрес, будет иметь адрес 831 х 10 — 1 = 8309.

После всех вышеперечисленных манипуляций переходим непосредственно к программе.

Возьмем к примеру регистр командного слова. Данный регистр представляет собой двухбайтовое слово, то есть 16 бит, где каждый бит отвечает за какую либо функцию.

Преобразуем биты в регистр, то есть в тип integer. Для этого задействуем блок bool->int.

Каждому биту сопоставлены входы блока — bool0, bool1 и т.д.

Далее переходим к регистру слово состояния, отображающему состояние ПЧ. Также в первую очередь находим в документации на ПЧ описание этого регистра.

Для преобразования регистра в биты, воспользуемся блоком reg16->bits

Также создадим блоки, отвечающие за задание частоты и отображение текущего значения выходной частоты.

Теперь можно оформить все созданные блоки в виде макроса. Для этого выделим их, правой кнопкой вызовем контекстное меню и выберем пункт Создать макрос. В появившемся диалоговом окне задаем имя макроса, можно также ввести пароль.

Далее подключаем к макросу, созданные ранее в карте памяти, сетевые переменные.

Для того, чтобы преобразователь запустился, на входах «Тормож.пост.током», «Останов выбегом», «Быстрый останов», «Фиксация частоты», «Данные ОК» должна быть 1. Ну и на «Пуск/Стоп» 1 – Пуск 0 – Стоп.

Для диагностики связи ПЛК с ПЧ можно задействовать блок Slave (link), с помощью которого можно смотреть статистику обмена данными между устройствами. То есть по факту этот блок представляет собой счетчик ошибок обмена.

На вход Q Err задаем число, которое указывает, какое количество ошибок обмена должно пройти подряд, чтобы на выходе Break выставилось значение логической единицы. Выход Errors отображает текущее состояние счетчика.

Устанавливают частотники в специальный шкаф управления насосами (шун) с частотным преобразователем или в любое другое место, где будут соблюдены основные требования для их нормального функционирования.

Чтобы была произведена правильная установка частотного преобразователя, необходимо учесть следующие нюансы:

• В месте расположения частотника необходимо обеспечить хорошую вентиляцию.
• Температура окружающей среды не должна быть ниже 10˚C и выше 45˚C.
• Должна соблюдаться относительная влажность менее 90%, на установленное оборудование не должна попадать вода.
• В непосредственной близости с частотным преобразователем должны отсутствовать пожароопасные и легковоспламеняющиеся материалы и жидкости.
• На устройство не должны попадать прямые солнечные лучи.
• Нельзя допускать наличие поблизости капель масла, пыли или стальной стружки.
• Размещать его необходимо в месте, с полностью отсутствующими вибрациями.
• Установка должна производиться на устойчивую поверхность без наклонов.
• Нельзя устанавливать оборудование в зоне электромагнитных помех.

Также учтите, что чем выше преобразователь будет установлен над уровнем моря, тем больше будет его номинальная мощность.

Используя представленные рекомендации, вы сможете подобрать такой частотный преобразователь для насосов, который отлично подойдет для организации работы вашего водонасосного оборудования. Различные модели прекрасно подходят как для оборудования скважинных, так и для фонтанных и других компрессоров, которые используются в жилых и частных домах.