Преобразователи частоты линейки PowerXL™ - общая информация

      Подробная информация, каталоги, буклеты, руководства пользователя, технические данные, программное обеспечение касающиеся преобразователей частоты линейки PowerXL™ серий DA1 и DC1 размещена в разделе "Электротехнический сектор -> Автоматизация и контроль -> Защита и управление двигателями -> Частотные преобразователи PowerXL™" официального сайта копании EATON:

http://www.eaton.ru/EatonRU/ProductsServices/Electrical/AutomationContro...

Преобразователи частоты Power XL

     Назначение преобразователя частоты - управление скоростью электродвигателя.

     Изменение скорости двигателя осуществляется с помощью изменения частоты и напряжения на статоре.

     Расчёт требуемой частоты и напряжения на статоре для достижения заданной скорости двигателя производится по математической модели электродвигателя. Математическая модель электродвигателя использует информацию о  характеристиках двигателя (вводятся пользователем или определеяются при автонастройке).

     Выпрямитель преобразователя частоты (А) превращает переменный ток в постоянный.

     Инвертор преобразователя частоты (С) производит обратное преобразование постоянного тока в переменный, с необходимой амплитудой и частотой.

Блок схема преобразователя частоты PowerXL

     Плавный запуск электродвигателя:
- снижает пусковой ток;
- уменьшает износ электродвигателя и связанного с ним механизма.

     Регулирование скорости электродвигателя при разгоне, торможении и в процессе работы:
- экономит электроэнергию;
- увеличивает ресурс электродвигателя;
- защищает оборудование от перегрузок.

1. Способ управления скоростью электродвигателем.

     Управление по вольт-частотной характеристике (скалярное управление) - сохраняется постоянным соотношение частоты и напряжения на статоре (U/f=const, В/Гц) во всем рабочем диапазоне скоростей.

Управление по вольт-частотной характеристике

     Для расчёта скорости двигателя контролируются значения частоты и напряжения на статоре.

     Недостатки скалярного управления асинхронным двигателем:
- изменение значения момента на валу двигателя в установившемся режиме приводит к изменению скорости вращения вала.

     Векторное управление - управлением вектором тока (углом и фазой тока статора): в установившемся режиме преобразователь частоты изменяет напряжение на двигателе, при изменении нагрузки на валу двигателя (с изменением величины тока обмоток статора). 

Векторное управлениеГрафик зависимости момента от скорости

     Для расчёта скорости двигателя контролируется кроме значений частоты и напряжения ещё и значение тока статора.

     Для управления вектором тока требуется знать положение ротора. Задача решается:
- с помощью выносного датчика положения ротора (инкрементальный энкодер);
- определения положения ротора путем вычислений.

     Преимущества векторного управления асинхронным двигателем:
- увеличенный диапазон и высокая точность регулирования скорости вращения вала,
- плавное вращение двигателя на малых частотах,
- быстрая реакция на изменение нагрузки,
- высокий уровень КПД двигателя, за счет более точного расчёта требуемых значений частоты и напряжения.

     Недостатки векторного управления асинхронным двигателем:
- большая сложность вычислений,
- более дорогая стоимость,
- колебания значения скорости при постоянной нагрузке.

     Выбор режима управления электродвигателем зависит от выполняемой задачи:
Скалярный - для случаев, когда нагрузка практически не меняется при одном и том же значении частоты, а нижняя граница регулирования частоты не ниже 5…10 Гц.
Векторный - для случаев, когда нагрузка может меняться на одной и той же частоте, а также когда необходимо получить высокий момент в диапазоне частоты - 0...50 Гц.
Векторное управление с датчиком скорости - для случаев, когда требуется широкий диапазон значений скорости, а уровень точности должен быть высоким при низких частотах вращения (ниже 1 Гц).

2. Элементы силового контура привода (PDS=Power Drive System)

Элементы силового контура привода

1 - Напряжение питающей сети.
2 - Предохранители (автоматические выключатели).
3 - Устройства защиты от тока утечки (УЗО тип B).
4 - Сетевой контактор.
5 - Сетевой сглаживающий дроссель.
   - Фильтр радиопомех.
6 - Преобразователь частоты.
7 - Дроссель электродвигателя.
   - Фильтр синусоидальных колебаний (синус-фильтр).
8 - Термистор или биметаллическое реле.
9 - Экранированные кабели двигателя.
10 - Трехфазный асинхронный двигатель.
11 - Тормозной резистор.

3. Подключение преобразователей частоты линейки PowerXL™ к сети.

     Без ограничений подключение к сети с системой заземления TN/TT (глухозаземлённая нейтраль).

     Допускаются условно подключение к сети с системой заземления IT (незаземленная и высокоомно заземленная (свыше 30 Oм) нейтраль) с отключением внутреннего фильтра подавления радиопомех.  

4. Электромагнитная совместимость (ЭМС) преобразователей частоты.

     Преобразователей частоты является источником электромагнитных помех. Инвертор преобразователя частоты формирует выходное напряжение с помощью высокочастотных транзисторов (частота коммутации для ПЧ линейки PowerXL™ - 4...32 кГц).

Напряжение на выходе преобразователя частоты

     Преобразователя частоты сам в свою очередь чувствителен к электромагнитным помехам.

     Необходимо предпринять меры по устранению или минимизации помех при применении преобразователя частоты.

     Мероприятия по обеспечению ЭМС необходимо принимать на этапе проектирования. Исправления и изменения при монтаже и подключении связаны с дополнительными расходами.

5. Условия эксплуатации преобразователей частоты по ЭМС.

Условия эксплуатации ПЧ по ЭМС

     ► Преобразователи частоты линейки PowerXL™ имеют категорию помехоустойчивости до C3 и могут использоваться на промышленных объектах (2-я зона условий эксплуатации).

     ► Версия устройства со встроенным фильтром подавления радиопомех обеспечивает соблюдение предельных значений категории C2 и могут использоваться в общественных местах нахождения людей (1-я зона условий эксплуатации).

     При этом необходимо:
- установку и подключение производить с учетом требований по обеспечению ЭМС;
- соблюдать допустимую длину кабеля электродвигателя;
- выбирать максимальную частоту переключений (fPWM) инвертора.

     ► В комбинации с внешним фильтром подавления радиопомех DX-EMC преобразователь частоты может обеспечивать соблюдение предельных значений категории C1 в местах проживания людей (1-я зона условий эксплуатации).  

Заземление

6. Мероприятия по обеспечению ЭМС.

     ► При монтаже в щите (шкафе) преобразователь частоты необходимо установить непосредственно на монтажной (металлической) панели.

     ► Все компоненты системы питания должны быть заземлены:
- как можно более коротким проводом (медный многопроволочный гибкий провод),
- как можно с большой площадью контакта.

     ► Необходимо избегать образования шлейфов заземления.

Все защитные провода должны быть подкючены звездой к главной шине заземления шкафа.

     ► Кабель электродвигателя должен быть как можно короче.

     ► Длина кабеля электродвигателя составляет:
- максимум 10 метров без использования дросселя электродвигателя;
- до 30 метров с использованием дросселя электродвигателя DX-LМ;
- максимально 200 м с использованием синус-фильтра DX-SIN3.

     ► Для подключения к электродвигателю требуется применять полностью экранированный (360°) кабель.

Для подключения к сети не требуется применение экранированного кабеля.

     ► Необходимо обеспечить большую площадь контакта (с охватом 360°) поверхности экрана кабеля с защитным заземлением (PES).

Увеличить площадь контакта с защитным заземлением можно, закрепив экран кабеля кабельным хомутом.

Подключение кабеля эл.двигателя

     ► Экран кабеля электродвигателя необходимо подключить к защитному заземлению с обоих концов:
- в непосредственной близости от преобразователя частоты,
- на клеммной коробке двигателя.

     ► Необходимо соединить защитным проводом (желто-зеленая жила) кабеля электродвигателя клеммы защитного провода электродвигателя и преобразователя частоты, чтобы минимизировать нагрузку на экранирующую оплетку.

     ► Экранирующая оплетка кабеля электродвигателя должна быть изготовлена только из оцинкованного или никелированного медного переплетения. Экранирующие оплетки из стального переплетения не пригодны.

     ► Необходимо избегать разрывов экрана кабеля без необходимости.

     ► Разрыв экранирующей оплетки кабеля электродвигателя для подключения дополнительных узлов (дроссель электродвигателя, фильтр синусоидальных колебаний, клеммы), необходимо делать вблизи этих узлов и заземлять каждый конец.

     ► Экранирующую оплетку на конце кабеля необходимо скрутить, оконцевать наконечником и подсоединить к клемме защитного заземления.

     Такое подключение должно быть как можно короче (b ≧ 1/5 a).

Подключение экрана кабеля эл.двигателя (PE)Подключение экрана кабеля эл.двигателя (PE)

     Избежать расплетания оплетки на конце экрана можно с помощью защитной пластиковой трубки или резиновой втулки.

Подключение экрана кабеля эл.двигателя (PE)

     ► Неэкранированные (свободные) участки соединительных линий, не должны быть длиннее 300 мм.

     ► Кабель с управляющими и сигнальными линиями (аналоговыми и цифровыми, чувствительными к помехам ) должен быть экранированным и всегда заземлён (PES) с одной стороны, в непосредственной близости к своему питающему источнику напряжения.

     ► Необходимо использовать отдельный кабель для сигналов различных типов:
- аналоговые (0...10 В, 0(4)...20 мА);
- дискретные (двоичные, сигналы напряжения или тока - 0/10 В, 0/24 В, 0(4)/20 мА);
- цифровые (передача данных через интерфейсы протоколов);
- релейные (0/220 В и др.) с подключением нагрузки.

     ► Использования кабеля управления с витыми парами улучшают защиту от радиопомех.

Подключение экрана контрольного кабеля (PE)

     ► При параллельном прокладывании силовых линий и управляющих и сигнальных линий расстояние между ними должно составлять не менее 300 мм.

     ► Нельзя прокладывать управляющие и сигнальные линии в одном канале вместе с силовыми линиями.

     ► При пересечении между управляющими и силовыми линиями они должны выполняться под прямым углом (90°).

7. Монтаж преобразователей частоты.

     ► Корпус щита/шкафа должен быть изготовлен из материала с высокой теплопроводностью.

     ► В средах с высоким содержанием посторонних частиц (например, пыль), вентиляционные отверстия щита/шкафа необходимо оборудовать воздушными фильтрами и использовать принудительную вентиляцию.

     ► Вентиляционные отверстия щита/шкафа должны быть расположены:
- для поступления воздуха ниже преобразователя частоты;
- для выхода воздуха выше преобразователя частоты.

     ► В средах с высокой влажностью, содержанием солей или химических веществ должны использоваться щит/шкаф без вентиляционных отверстий с соответствующей защитой.

     ► Устройства с сильными магнитными полями (например, реакторы или трансформаторы) не следует устанавливать близко к преобразователю частоты.

     Установочное положение.

     Преобразователи частоты серий DC1 и DA1 предназначены для установки в вертикальном положении. Максимально допустимый наклон составляет 30°.

Установочное положение

     Меры по охлаждению.

     Все типы преобразователей со степенью защиты IP20 могут работать при окружающей температуре 50°C (позволяет избежать дополнительных затрат на вентиляцию).

Меры по охлаждению

     ► Преобразователи частоты серии DC1 можно устанавливать без зазора сбоку между ними.

Меры по охлаждению

     ► Для обеспечения достаточной циркуляции воздуха для отвода тепла необходимо обеспечить достаточные зазоры в соответствии с типоразмером (номиналом) преобразователя частоты.

Размер

Размер

a, mm

b, mm

c, mm

d, mm

FS2

FS2

50

46

75

75

FS3

FS3

50

52

100

100

FS4

FS4

10

71

200

200

FS5

FS5

10

70

200

200

FS6

FS6

10

140

200

200

FS7

FS7

10

140

200

200

Меры по охлаждению

     ► Установить воздушный дефлектор, если несколько преобразователей частоты серии располагаются друг над другом, так как они охлаждаются потоком воздуха от внутреннего вентилятора. Невыполнение этого требования может привести к перегреву устройства.

Меры по охлаждению (дефлектор)

8. Критерии выбора преобразователя частоты.

     Имеются модификации:
- с электропитанием сети и электродвигателя: 230 Vac и 400 Vac;
- подключение однофазного/трехфазного двигателя к однофазной/трехфазной сети.

     Расчётный ток электродвигателя.

     Должен быть учтён тип схемы подключения электродвигателя (Δ/Y).

     Метод управления электродвигателем.

     Скалярный, векторный - зависит от решаемой задачи (переменный или постоянный нагрузочного момента, тяжёлый пуск и т.п.).

     Условия эксплуатации.

     Температура окружающей среды, влажность/агрессивность среды и т.п.

9. Критерии выбора дополнительных устройств.

Внимание! Для преобразователей частоты не требуются устройства для компенсации реактивной мощности (cos φ ~ 0,98).

     а) УЗО (устройство защитного отключения).

     Может быть установлено для защиты от:
- поражения электрическим током людей и домашних животных;
- возникновению пожара.

     УЗО должно быть пригодно для:
- защиты в случае неисправности установок с составляющей постоянного тока (УЗО, тип B);
- больших токов утечки (300 мА);
- кратковременного отвода пиков импульсного тока.

     б) Сетевой контактор.

     Для осуществления включения и выключения напряжения питания преобразователя частоты.

     Максимально допустимая частота включений сетевого напряжения для преобразователя частоты составляет каждые 60 секунд (нормальный режим работы).

     Режим работы СТАРТ-СТОП преобразователя частоты выполняется через вход управления преобразователем частоты, а не через сетевой контактор.

     в) Сетевой сглаживающий дроссель DX-LN.

Сетевой сглаживающий дроссель DX-LN

     ► Производитель рекомендует всегда устанавливать сглаживающий дроссель, поскольку в большинстве случаев качество сети не известно.

     Сетевой дроссель снижает взаимное воздействие сети питания и преобразователя частоты друг на друга (является буфером между ними):
- сглаживает просадки и пики сетевого напряжения, импульсные броски тока;
- снижает гармонические искажения напряжений;
- снижает несимметричные напряжения;
- сглаживает высшие гармоники тока генерируемые преобразователем частоты.

Сетевой сглаживающий дроссель DX-LN

     г) Дроссели электродвигателя DX-LМ.

Дроссели электродвигателя DX-LМ.

     Дроссель электродвигателя рекомендуется устанавливать при длине кабеле двигателя >10 м:
- улучшает качество сигнала выходного напряжения;
- ограничивает скорость нарастания напряжения;
- ограничивает токи короткого замыкания;
- уменьшает выбросы напряжения на электродвигателе, возникающие при модуляции, путём сглаживания формы волны. 

Дроссели электродвигателя DX-LМ.

     д) Синус-фильтры DX-SIN3.

Синус-фильтры DX-SIN3Синус-фильтры DX-SIN3

     Синус-фильтр устанавливается между преобразователем частоты и двигателем:
- снимает с выходного напряжения (U2) высокочастотные составляющие,
- формирует форму сигнала близкую к синусоидальной;
- уменьшается шумность двигателя.

DX-SIN3

ГрафикГрафик

     Высокочастотное выходное напряжение:
① - без синусоидального фильтра;
② - с синусоидальным фильтром.
f - частота вращения поля;
n - порядок высшей гармоники.

     Преимущества синус-фильтра:
• Позволяет увеличить длину экранированного кабеля двигателя до 200 м (480 В +10 %)
• Увеличивает срок службы двигателя.
• Уменьшает шумность двигателя.

     Недостатки синусоидальных фильтров:
• Падение напряжения до 9% (около 36 В, если U2 = 400 В).
• Повышенное тепловыделение.
• Требуется большое дополнительное место для установки.

     е) Тормозной резистор.

     Тормозной резистор используется при электродинамическом торможении и обеспечивает увеличение тормозного момента (до 100 % от номинального крутящего момента двигателя).

Тормозной резистор

     Для использования тормозного резистора преобразователь частоты должен иметь тормозной прерыватель. Тормозной резистор подключается к силовым клеммам DC + и BR.

     В генераторном режиме работы электродвигателя, тормозной прерыватель автоматически подключается тормозной резистор к шине постоянного тока внутри преобразователя частоты.

     Электродвигатель становится генератором, если выходная частота преобразователя частоты быстро уменьшается, а подключенная машина имеет большую инерционную массу, или уменьшению частоты вращения противодействует среда проходящая через неё (вентилятор, конвейер). Происходит отдача электрической мощности через обмотки статора, что ведёт к повышению напряжения в промежуточном контуре, и выделению большой мощности.

     Если преобразователь частоты не может рассеять её за счет собственной конструкции, тогда необходимо подключать нагрузку в виде тормозного резистора, который в режиме динамического торможения гасит излишнюю регенеративную энергию двигателя, преобразуя её в тепло.  

Тормозной резистор

     ① Инерционная масса рабочей машины.

     ② Инвертор с тормозным прерывателем (тормозным транзистором).

     ③ Тормозное сопротивление (RB). Поток энергии (тормозной момент).

10. Кабели.

     Следует применять кабели с медными жилами с теплостойкостью равной +60/75°C.

11. Выбор электродвигателя.

     Для частотно-регулируемой привода рекомендуется использовать стандартные трехфазные электродвигатели переменного тока с короткозамкнутой обмоткой ротора и поверхностным охлаждением, известные также как трехфазные асинхронные электродвигатели.

     Прочие типы электродвигателей могут быть использованы после консультации с компанией-производителем двигателя.

     Разрешается применение электродвигателей с классом изоляции не ниже F (с максимальной температурой в установившемся режиме 155 °С).

     Рекомендуется применение 4-полюсных электродвигателей (синхронная скорость вращения: 1500 мин-1 при 50 Гц).

     При параллельной работе нескольких электродвигателей на одном преобразователе частоты мощности электродвигателей не должны различаться между собой более чем на три класса по мощности.

12. Стандартная комплектация DA1, DC1 и DE1 имеет разъём RJ45.

     Разъём RJ45 содержит три независимых соединения:
- шина RS485, подключение к устройствам по протоколу Modbus RTU;
- шина RS485, подключение к ПК по протоколу OP-bus;
- шина CAN, подключение к устройствам по протоколу CANopen.

Примечание: Преобразователя частоты серии DE1 не имеет шины CAN.

     Также комплектно установленный разъём RJ45 позволяет подключать нагрузку к внутреннему источнику питания 24 Vdc преобразователя частоты (суммарно до 100 мА).

Распайка RJ45

     Подключить частотный привод к ПК проще всего с помощью соединительного кабеля DX CBL-PC-1M5, который имеет интегрированный преобразователь RS485/USB.

DX‑CBL-PC-1M5

     Типичная структура сети обмена данными состоит из главного компьютера (главного устройства) и нескольких преобразователей частоты (максимум 63 абонентов).

Cтруктура сети обмена данными

     Для подключения нескольких ПЧ по шинам RS485 (Modbus RTU) и CAN (CANopen) используется разветвители: DX-SPL-RJ45-3SL и DX-SPL-RJ45-2SL1PL

DX-SPL-RJ45-3SL

DX-SPL-RJ45-2SLIPL
DX-SPL-RJ45-3SL DX-SPL-RJ45-2SLIPL

     ► Преобразователь частоты серий DA1 и DC1 не имеет на внутренней шине данных согласующего резистора.

     Для этих целей в дополнение к разветвителю DX SPL-RJ45-2SL-1PLT можно использовать:
DX-CBL-TERM с двумя резисторами 120 Ом для сети CANopen и Modbus RTU.

DX-CBL-TERM

- EASY-NT-R с двумя резистором 124 Ом для сети CANopen.

EASY-NT-R

13. Программное обеспечение drivesConnect.

drivesConnect

     ПО drivesConnect, удобный и функциональный инструмент для ввода в эксплуатацию устройств, позволяет:
- конфигурировать параметры,
- производить диагностику и мониторинг,
- настраивать функций ПЛК (для преобразователей частоты серии DA1).

 

 

     Функция мониторинга в реальном времени позволяет отображать в графическом виде рабочих параметров – тока и частоты вращения двигателя.

Функция мониторинга

     Функция настройки параметров имеет лаконичный и дружественный интерфейс. С помощью редактора настройки преобразователь частоты может быть настроен как онлайн, так и оффлайн. В режиме онлайн можно провести диагностику.

Настройка параметров

     Функция ПЛК позволяет программировать устройство, задавая необходимую для реализации управления, последовательность действий. Преобразователь частоты с такими функциями позволяет избежать затрат на дополнительное оборудование.

     Требуется лицензия (опция) для ПО drivesConnectчтобы, чтобы конфигурировать логику управления в ПЛК DA1.

Функция ПЛК