Микрочастотные преобразователи получают макрофункции.

Хотя базовые малогабаритные частотно-регулируемые приводы (ЧРП) все еще существуют, есть несколько веских причин для производителей оборудования, любителей и других конечных пользователей использовать более новые и чрезвычайно функциональные микро-ЧРП. Эта статья первоначально появилась в июньском номере журнала InTech за 2022 год.

Мы стали свидетелями эффекта «просачивания» технологий сверху вниз. От дорогих автомобилей класса люкс до новейших мобильных телефонов каждый год, топовая модель почти всегда обладает эксклюзивными функциями. Однако экономные и терпеливые потребители — в отличие от первопроходцев — в конечном итоге увидят, как эти же технологии станут доступны в более дешевых продуктах. Эта довольно универсальная модель охватывает многие отрасли, в том числе промышленную автоматизацию. Пользователи частотно-регулируемых приводов переменного тока (ЧРП) продолжают получать выгоду от новых функций, ранее доступных только в флагманских продуктах.

прогресс VFD

В системах, использующих машины, насосы и другое оборудование, часто требуется регулировать скорость электродвигателя. Когда-то единственным способом изменять скорость электродвигателя, сохраняя при этом полный крутящий момент ниже базовой скорости, было использование двигателя постоянного тока и привода постоянного тока. Это было связано с тем, что первые частотно-регулируемые приводы переменного тока работали только в режиме В/Гц и теряли крутящий момент пропорционально любому снижению ниже базовой скорости. Однако с появлением частотно-регулируемых приводов переменного тока с векторным управлением потоком, 100% крутящего момента двигателя могло быть достигнуто во всем диапазоне скоростей от нуля до базовой скорости. Ранние частотно-регулируемые приводы переменного тока с векторным управлением потоком имели ряд проблем.

Доступны были устройства с ограниченным диапазоном мощности; они были большими и размещались в отдельном помещении, вдали от другого оборудования; а длинные кабели вызывали проблемы с электричеством. Кроме того, это были дорогие, специально разработанные приводные системы. В конце концов, начался эффект «просачивания», и частотно-регулируемые приводы с векторным управлением потоком стали продаваться как готовые продукты, подходящие для многих применений. Более дешевые частотно-регулируемые приводы оставались доступными для простых задач, требующих лишь простого управления В/Гц. К началу 2000-х годов количество специально разработанных приводных систем сократилось, и большинство из них продавались в готовом виде, но обладали впечатляющими характеристиками в дополнение к поддержке векторного управления потоком.

Среди других популярных функций были расширенные сетевые возможности, функции безопасности, такие как безопасное отключение крутящего момента, пропорционально-интегрально-дифференциальное (ПИД) управление и даже встроенный программируемый логический контроллер (ПЛК) с широкими возможностями ввода/вывода, позволяющими управлять технологическими процессами или машинами в дополнение к управлению двигателями.

Меньшее с наибольшим

Всего несколько лет назад самые недорогие частотно-регулируемые приводы (ЧРП) на рынке поддерживали только управление по частоте (В/Гц) и были довольно простыми, низкого качества, чтобы оставаться доступными для производителей оригинального оборудования (OEM) и любителей. И снова произошел эффект «нисходящего потока», и многие более продвинутые функции и улучшенное качество сборки теперь можно найти в более дешевых ЧРП. Сегодняшние ЧРП начального уровня, доступные по цене производителям OEM и любителям, значительно упрощают проектирование и внедрение проектов благодаря таким функциям, как:

преобразование однофазного входа в трехфазный выход

Бессенсорное векторное управление для увеличения крутящего момента на низких скоростях

Расширенная поддержка сетей, таких как EtherNet/IP и Modbus TCP.

ПИД-регулирование для управления технологическим процессом с обратной связью

Встроенный ПЛК для выполнения логических операций, что в некоторых приложениях устраняет необходимость в отдельном ПЛК.

Эти новые функции могут принести пользователям множество преимуществ. Преобразование однофазного сигнала в трехфазный. Частотно-регулируемый привод с однофазным входом и трехфазным выходом — это очевидный выбор при сравнении характеристик для производителя оборудования или любителя. У большинства любителей нет трехфазного питания в мастерских или гаражах, но им может потребоваться управление трехфазным двигателем. Для производителя оборудования эта функция дает возможность проектировать устройство с однофазным подключением и, вероятно, привлечет больше клиентов, а не только тех, у кого есть трехфазное питание.

Хотя частотно-регулируемый привод (ЧРП) не является фазовым преобразователем, он может преобразовывать однофазное напряжение 120 или 230 В переменного тока в трехфазный выход для управления двигателем. Преимущества выбора трехфазного двигателя по сравнению с однофазным слишком велики, чтобы их перечислять, но улучшенное управление скоростью обычно достаточно, чтобы убедить пользователей в том, что трехфазный двигатель — лучший выбор. Крутящий момент. Бессенсорное векторное управление позволяет пользователям снижать скорость двигателя до очень низких значений без потери крутящего момента. В типичном недорогом ЧРП с управлением только по частоте (также известном как скалярное управление) двигатель теряет выходной крутящий момент пропорционально снижению скорости.

Например, двигатель мощностью 0,5 л.с. с базовой скоростью 1725 об/мин и номинальным крутящим моментом при полной нагрузке 1,5 фунт-фута при 100% скорости будет обеспечивать только 1,0 фунт-фут при 66% скорости. Благодаря технологии бессенсорного векторного управления можно получить 100% крутящего момента двигателя на очень низких скоростях.

До появления бессенсорных векторных технологий конструкторы могли использовать двигатель с меньшей частотой вращения, но той же мощностью, для достижения более низкой фиксированной скорости, или же использовать двигатель постоянного тока и привод. Первый вариант не предусматривает регулировку и часто предполагает больший размер корпуса, что может потребовать более дорогостоящих механических изменений. Второй вариант надежен, но требует более частого технического обслуживания, например, замены щеток, а многие маломощные приводы постоянного тока являются аналоговыми и менее технологичными. Обычно они не предлагают средств связи или более сложных опций управления, по крайней мере, по той же цене.

Сетевые возможности. Расширенные сетевые возможности являются преимуществом по многим причинам. Многие частотно-регулируемые приводы (ЧРП) — даже самые первые из доступных — поддерживали тот или иной вид последовательной связи, но для этого могли потребоваться специальные кабели. Сегодня многие ЧРП обычно поддерживают связь по Ethernet, поэтому настройка ЧРП становится более удобной, а если установлено более одного ЧРП и они управляются отдельным ПЛК, их легко объединить в сеть. Возможность для систем человеко-машинного интерфейса, диспетчерского управления и сбора данных контролировать и управлять множеством ЧРП, подключенных к сети производственного предприятия, привлекательна как для конечных пользователей, так и для производителей оборудования, обеспечивая расширенные возможности управления и поддерживая профилактическое техническое обслуживание для предотвращения поломок.

ПИД-регулирование. Для приложений, связанных с аналоговым управлением технологическими процессами, таких как регулирование расхода насоса или вентилятора, обычно необходимо реализовать ПИД-регулирование с обратной связью. Это можно сделать с помощью ПЛК. Однако для многих приложений частотно-регулируемый привод (ЧРП) может более эффективно выполнять эту функцию локально, предлагая при этом простой интерфейс для настройки контура, что значительно экономит время при запуске оборудования. Большинству машин требуется какое-либо управление, даже если они не работают в аналоговом режиме.

Первоначально для этого требовалась жестко запрограммированная релейная логика, которая в конечном итоге в значительной степени была вытеснена ПЛК. Для многих небольших приложений — особенно в сфере OEM-производства или любительского использования — ПЛК, интегрированный в частотно-регулируемый привод, имеет достаточное количество входов/выходов для управления всем необходимым и представляет собой взаимовыгодное решение с точки зрения стоимости, трудозатрат на проектирование/программирование и занимаемого места на панели.

Вопросы, касающиеся микрочастотных преобразователей

Использование микрочастотного преобразователя в простых и недорогих системах имеет немного технических недостатков. Хорошее правило: если вы уверены, что вам никогда не понадобится регулировать скорость двигателя, то не покупайте частотный преобразователь. Но если есть хотя бы малейшая вероятность того, что скорость двигателя может потребовать регулировки, то более новый, недорогой и многофункциональный частотный преобразователь должен стать приоритетным вариантом.

Возможно, опасения вызывает больший размер частотно-регулируемого привода (ЧРП) по сравнению с контактором или пусковым устройством, но некоторые современные модели имеют размер ладони и занимают примерно столько же места, сколько контактор двигателя и комбинированное устройство защиты от перегрузки (рис. 2). Эти микро-ЧРП имеют встроенный ПЛК, ПИД-регулирование, бессенсорное векторное управление, расширенную поддержку сети и расширение ввода/вывода — по цене, сопоставимой с ценой контактора двигателя и комбинированного устройства защиты от перегрузки, но с дополнительными преимуществами и сниженными затратами в других областях. Они доступны в корпусе NEMA 4X, подходящем для использования в зонах, подверженных мойке (рис. 3). В машинах OEM часто используется небольшой ПЛК, управляющий пусковым устройством двигателя, работающим от сети. Традиционные конструкции обычно требуют трехфазного питания, но многие конечные пользователи хотят, чтобы эта машина работала на однофазных объектах.

Вместо создания двух отдельных конструкций, производитель оборудования может заменить ПЛК и пусковой узел двигателя одним более современным частотно-регулируемым приводом, способным принимать однофазное питание. Это решение позволяет производителю оборудования решить проблему, снизить затраты, уменьшить количество компонентов и привлечь больше потенциальных клиентов.

Даже современным любителям требуются микрочастотные преобразователи. Например, многие покупают подержанные промышленные токарные или шлифовальные станки, для работы одного или нескольких двигателей которых, скорее всего, требуется трехфазное питание. Даже если двигатель (или двигатели) заменяется, пользователю следует заменить его другим трехфазным двигателем, чтобы можно было регулировать скорость.

Если конечное назначение станка — гараж в жилом доме или личная мастерская, то, скорее всего, у пользователя не будет доступа к трехфазному электропитанию. Хотя выходной сигнал частотного преобразователя не может использоваться для питания всего станка, можно внести некоторые незначительные изменения в проводку, позволяющие частотному преобразователю управлять трехфазным двигателем с помощью однофазного входа. Хотя базовые малогабаритные частотные преобразователи все еще существуют, есть несколько веских причин для производителей оборудования, любителей и других конечных пользователей использовать более новые и чрезвычайно функциональные микрочастотные преобразователи. Во многих случаях эти микрочастотные преобразователи получили выгоду от эффекта «просачивания» (supplementation effect).