Частотник или как регулировать скорость вращения электродвигателя.

При управлении различными процессами довольно часто возникает ситуация, когда необходимо управлять скоростью вращения электродвигателя. Например, необходимо уменьшить расход воды в системе водоснабжения за счёт снижения оборотов насоса, или отрегулировать уровень воздухообмена в системе вентиляции, меняя скорость вращения приточного вентилятора.

Регулировка скорости вращения электродвигателя может производиться за счёт  изменения частоты и (или) величины управляющего напряжения, а также за счёт управления сдвигом фаз (для трёхфазных двигателей). Это может быть реализовано с использованием различных устройств, наиболее универсальным и многофункциональным из которых является частотный преобразователь. О нём и пойдёт речь в этой статье.

Частотный преобразователь (он же «частотник», он же «инвертор»)

В обиходе частотный преобразователь чаще называют частотником или инвертором.

Как уже было сказано, частотник предназначен для управления скоростью вращения электродвигателя. Это происходит за счёт изменения характеристик питающего напряжения.

Существуют модификации частотников для управления трёхфазными и однофазными двигателями.

Типовая структурная схема управления электродвигателем выглядит так:

На схеме трёхфазное питание подаётся на вход инвертора через автоматический выключатель, выполняющий защитную функцию, и магнитный пускатель (расцепитель), с помощью которого можно разорвать цепь по внешнему сигналу, когда это необходимо.

Частотник преобразует характеристики входного напряжения в соответствии с заданной схемой управления и требуемой частотой электродвигателя, и «выдаёт» на выход три фазы с изменёнными параметрами (частотой, величиной напряжения, сдвигом фаз).

Задание частоты может производится непосредственно с пользовательской панели преобразователя частоты или дистанционно с ПК или пульта оператора.

Для однофазного двигателя структурная схема управления аналогична.

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.).

Настройка частотного преобразователя

Для того, чтобы начать использование частотного преобразователя, его необходимо настроить, — то есть задать минимально-необходимый набор параметров:

1.  Параметры двигателя — номинальные значение тока, напряжения, мощности, максимальная и минимальная частоты вращения и т.д. Обычно эти параметры указаны на шильдике двигателя или в руководстве по эксплуатации.
2. Канал задания — способ задания необходимой частоты вращения. Как уже говорилось выше, частоту можно задать различными способами: с помощью интерфейса пользователя, цифрового интерфейса, дискретных или аналоговых входов. Эта настройка даёт частотнику понятие о том, откуда конкретно брать задание. Канал задания может меняться в процессе работы преобразователя, например можно настроить один из дискретных входов на изменение канала задания, и с помощью внешнего переключателя, подключенного к указанному входу, менять канал задания.
3. Канал управления — определяет откуда осуществляется запуск/остановка (и некоторые другие управляющие функции) преобразователя. В качестве канала управления может быть задан интерфейс пользователя, цифровой интерфейс или дискретные входы. Канал управления, так же как и канал задания, может быть изменён в процессе работы преобразователя.
4. Схема преобразования — алгоритм управления питающим напряжением электродвигателя. Эту настройку не рекомендуется менять неопытным пользователям, лучше оставить её по-умолчанию.