10 способов управления скоростью двигателей при помощи ПЧ
В промышленном оборудовании до недавнего времени был наиболее распространен способ включения двигателя через контактор (магнитный пускатель). В этом случае частота (скорость) вращения двигателя (n) зависит только от двух параметров – частоты питающей сети (f) и количества полюсов обмотки статора (p): n = (60f)/p, оборотов в минуту. Понятно, что конечный пользователь не может поменять частоту сети, а перемотка двигателя с целью изменить количество полюсов – трудоемкое занятие, к тому же меняющее мощность двигателя.
Чтобы обойти ограничение по скорости вращения, в промышленном оборудовании широко применяют преобразователи частоты (ПЧ).
Основная функция преобразователя частоты – регулировка скорости трехфазного асинхронного двигателя, подключенного к его выходу. У ПЧ также есть множество других функций, но их рассмотрение не входит в данную статью.
В ПЧ имеется несколько способов (каналов) задания частоты выходного напряжения, питающего двигатель. Каналы задания частоты должны быть выбраны в меню. Может использоваться один из возможных каналов, а также их переключение и комбинации.
Рассмотрим способы задания частоты последовательно, без привязки к определенным моделям, поскольку принципы задания частоты в ПЧ у всех производителей практически одинаковы.
1. Заданная частота
В меню ПЧ есть параметр, который задает нужную рабочую частоту. Его можно настроить предварительно, а можно менять в процессе работы изменением параметра, или клавишами «вверх» и «вниз» на панели управления. Если частота изменена в процессе работы, то при выключении она может сохраниться или нет, в зависимости от выбранной настройки сохранения.
Данный способ является самым простым, не требующим управления и вмешательства оператора. Применяется там, где оперативная регулировка скорости не нужна – вентиляторы, конвейеры, и т.п.
В результате при включении ПЧ (подаче сигнала запуска двигателя) через заданное время разгона двигатель выйдет на обороты, определенные заданной частотой.
2. Потенциометр панели управления
В большинстве ПЧ на передней панели, кроме кнопок управления и дисплея, имеется ручка потенциометра, при помощи которого можно менять скорость двигателя.
Для того, чтобы этот регулятор работал, нужно его включить, установив нужный параметр в настройках. Если при этом также используются другие каналы задания частоты, то указывается приоритетность либо комбинирование (суперпозиция) сигналов.
Часто для удобства используется выносная панель управления, которую монтируют на дверь шкафа управления. Это удобно для оперативного персонала и позволяет изменять скорость штатным потенциометром, на открывая дверей шкафа. ПЧ при этом защищен от внешних воздействий, а доступ неэлектротехнического персонала к нему закрыт.
3. Кнопки панели управления
То же самое можно сказать и про кнопки, которые, как правило, обозначены “Up” и “Down”. Этими кнопками, которые также расположены на панели управления ПЧ, можно дискретно менять текущую скорость. Шаг изменения при каждом нажатии можно запрограммировать. Про эти кнопки уже шла речь в способе №1.
4. Сигналы на дискретных входах
На дискретные входы, которые можно задать в настройках, можно подать сигналы уменьшения либо увеличения частоты. Управление при этом сходно с управлением от кнопок, рассмотренных в предыдущем способе.
Также для настройки доступен шаг изменения и другие параметры. Уровень напряжения и другие параметры дискретного сигнала должны соответствовать указанным в инструкции.
Дискретные сигналы в этом случае могут приходить с любых устройств, у которых есть дискретный выход – кнопки, реле, датчики, контроллеры.
5. Аналоговый вход
Как правило, у всех современных ПЧ имеется один или несколько аналоговых входов задания скорости. Аналоговый вход может быть с управлением по напряжению или по току.
Разница этих режимов состоит в сопротивлении источника задания. Если в режиме аналогового задания скорости по напряжению внутреннее сопротивление нагрузки может иметь сопротивление от единиц до сотен Ом, то токовый вход работает с сопротивлениями источника более килоома. Переключение режимов, как правило, производится аппаратно, с помощью переключатели или джампера на плате ПЧ.
Напряжение на аналоговом входе обычно выбирается от 0 до 10 В. При этом можно запрограммировать точки характеристики управления. Например, если необходимо, можно запрограммировать нулевую скорость при напряжении 5 В, максимальную скорость – при 10 В, максимальную скорость при реверсе (обратном вращении) – при 0 В.
Современные ПЧ поддерживают и отрицательное напряжение на аналоговом входе. В результате диапазон управляющего напряжения расширяется до 20 В (– 10… +10 В).
Источником аналогового сигнала может быть внешний потенциометр, на который подается опорное напряжение +10 В со специально предусмотренного для этого выхода ПЧ. Как вариант, сигнал может подаваться с аналогового выхода контроллера, либо с тахогенератора через соответствующий делитель.
Стоит сказать, что при необходимости связи по скорости двух и более ПЧ наиболее простой способ их синхронизации – через аналоговый сигнал, который берётся с выхода первого ПЧ, подается на вход второго, и т.д.
Для точной синхронизации (или других целей) сигналы можно масштабировать программными средствами ПЧ, задавая нужные коэффициенты усиления аналоговых сигналов.
Недостаток аналогового входа – подверженность помехам, которые могут быть вызваны дребезгом контактов или внешними наводками. Поэтому аналоговое управление, несмотря на простоту, применяют в редких случаях. При этом используют различные аппаратные и программные методы защиты (фильтры) от помех.
6. Многоскоростной режим
Если при технологическом процессе используется только несколько определенных значений частоты, то имеется возможность запрограммировать их заранее, и переключать их по мере необходимости. Этот режим задания скорости называется многоступенчатым, или многоскоростным.
Переключение скоростей обычно производится двоичным кодом на определенных дискретных сигналах. Чем больше дискретных сигналов предусмотрено производителем ПЧ для этой цели, тем большее количество скоростей можно задать. Например, если используется 4 входа, то можно запрограммировать до 16 нужных скоростей.
Сигналы для управления многоскоростным режимом целесообразно брать с дискретных выходов контроллера.
7. Импульсный высокочастотный вход
Это довольно специфический вход задания скорости, и встречается в ПЧ сравнительно редко. Скорость задается в зависимости от частоты (или скважности) приходящих импульсов.
Такой способ может быть удобен, когда частоту нужно брать с какого-либо устройства, имеющего дискретный выход, частота выходного сигнала которого зависит от скорости вращения или движения объекта.
Источником сигнала в данном случае может быть оптический или индуктивный датчик, либо энкодер.
Входную частоту можно масштабировать и привязывать к нужному диапазону выходных частот ПЧ.
8. Датчик обратной связи
Этот датчик обычно входит в состав ПИД-регулятора. ПИД-регулятор используется для поддержания и регулирования параметров каких-либо процессов. Например, давления, или температуры.
Используя только датчик, можно только при помощи ПЧ, например, поддерживать нужное давление в технологической емкости, меняя скорость вращения насоса в соответствии с сигналом датчика ПИД-регулятора.
9. Сигнал управления по цифровому каналу
Для контроля скорости двигателя (его вала, либо редуктора) часто используют энкодеры. В некотором смысле это цифровой датчик обратной связи, контролирующий обороты, и позволяющий точно оценивать частоту вращения и выдавать нужную частоту на выходе ПЧ.
В последнее время производители ПЧ используют энкодер не только для контроля скорости, но и для контроля исправности привода. Например, если энкодер установлен на валу редуктора, а при подаче напряжения на двигатель энкодер не выдает ожидаемый сигнал – можно однозначно сказать, что двигатель либо редуктор неисправен.
ПЧ выдает ошибку на контроллер, и технологическая линия останавливается.
Данный способ является более совершенным, чем применение тепловых реле, и в серьезном оборудовании применяется довольно широко.
10. Последовательный интерфейс
Наиболее современный способ задания не только частоты, но и других сигналов управления - работа через последовательный интерфейс RS-485, ProfiBus и др. В таком случае ПЧ управляется от контроллера либо персонального компьютера, а обычными дискретными сигналами передаются только информация об аварии, готовности и разрешении работы.
Выводы
При настройках управления скоростью важно не только выбрать способ задания частоты вращения. Следует уделить внимание также и другим параметрам, относящимся к скорости двигателя и способам его пуска и защиты.