В 1888 году в Королевской Академии наук Италии был впервые описан принцип вращающегося магнитного поля. Но рабочую модель электродвигателя создать не удалось, опыты были неудачными, и разработку посчитали бесперспективной.
Однако, ученый российского происхождения Михаил Осипович Доливо-Добровольский о пессимистическом мнении королевских академиков не знал, и буквально на следующий год разработал теорию и получил патент на трехфазный асинхронный (индукционный) электродвигатель. Вскоре он построил успешную рабочую конструкцию, которая осталась практически неизменной по сей день.
Одновременно Никола Тесла в США проделал такую же работу, поэтому логично, что изобретателем асинхронного двигателя американцы считают его.
История такая же, как с изобретением радио.
Принципиально важно для такого двигателя, чтобы напряжение питания имело больше двух фаз, и все фазы были сдвинуты друг от друга на равный угол. Был создан трехфазный генератор напряжения, и, как говорится, поехали!
Но у асинхронного двигателя был один существенный недостаток. В отличие от других типов двигателей, оперативно менять скорость его вращения было большой проблемой. Для этого нужна была лишь «самая малость» - возможность менять частоту питающего напряжения. Ведь от его частоты напрямую зависит частота вращения двигателя.
Кроме изменения частоты, есть ещё и другие "мелочи" - нужно менять не только частоту, но и напряжение питания, следуя вольт-частотной характеристике, которая выжимает максимум из возможностей двигателя.
Несмотря на то, что теория привода с частотным управлением была разработана в 1930-е годы, не было технологической базы, чтобы реализовать управление скоростью вращения асинхронного двигателя на практике. И лишь появление тиристоров, а затем IGBT- транзисторов позволило создать преобразователь частоты (ПЧ), применимый в промышленности.
С тех пор типовая схема ПЧ не изменилась:
ПЧ - электронное устройство с двойным преобразованием:
- синусоидальное напряжение сети выпрямляется, и получается постоянное,
- питаясь от постоянного напряжения, генератор импульсов выдаёт напряжение, которое очень сложно назвать синусом, но его скармливают двигателю, и он им очень неплохо питается.
В начале 2000-х годов, с бурным развитием силовой электроники, преобразователи частоты стали по-настоящему массовыми и доступными.
Первые ПЧ были ужасно сложными и дорогими.
О том, какими стали ПЧ сейчас - во второй части статьи, читайте до конца.
Что на выходе преобразователя частоты?
Можно подумать, что напряжение на выходе ПЧ – синусоидальное, с изменяемой частотой выше или ниже 50 Гц. Но нет. ПЧ устроен таким образом, что у него на выходе - высокочастотный сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).
Несколько периодов напряжения с частотой около 50 Гц:
Тот же выход ПЧ, на более скоростной развертке осциллографа:
Уже видны отдельные импульсы ШИМ.
А на следующем фото видно, как импульсы меняют свою ширину по ходу периода напряжения:
Несущая частота ШИМ (частота следования импульсов, которые видны на осциллограмме) в современных моделях может быть выбрана до 16 кГц.
Импульсы напряжения, поступая на обмотку статора двигателя, позволяют получить сравнительно неплохую форму тока. Благодаря физическим принципам - ток на индуктивности всегда меняется медленно. Так же, как напряжение на конденсаторе.
Теоретическая модель выглядит так:
Если смотреть с точки зрения спектра, основная частота этого сигнала и есть частота, которой питается электродвигатель. Она может быть от 0 до сотен Гц, и от её значения зависит скорость вращения.
Типичный номинал частоты питающего напряжения асинхронного электродвигателя - 50 Гц.
Остальное - гармоники, которые вредны для двигателя, но без них не обойтись. Издержки метода ШИМ.
Поэтому при работе ПЧ слышен писк, и возможны помехи работающему рядом оборудованию.
Российские ПЧ: импортозамещение или Китай?
В России произошли большие перемены, вызванные геополитическими процессами. В результате доставка импортных товаров сейчас затруднена и стала дороже. В ключе данной статьи можно задать вопрос – что с импортозамещением преобразователей частоты? Есть ли полностью российские модели, не зависящие от санкций?
Может быть, за эти годы мы научились делать свои ПЧ, или электронику в общем?
Предлагаю поставить вопрос иначе: бывает ли 100% импортозамещение? Однозначно – нет. Взять любую зарубежную компанию – она так или иначе зависит от импортных «комплектующих». Тут и инвестиции, и работы на аутсорсе, и рабочая сила, и железо – всё может иметь иностранное происхождение. И это прекрасно, поскольку только так создаётся лучший продукт по цене и качеству.
То же самое можно сказать и про ПЧ. Сейчас значительная их доля производится в Китае, куда стекаются технологии, где дешёвая и квалифицированная рабочая сила, где можно производить электронику в огромных объемах, наращивая навыки и технологии огромными темпами.
Может ли Россия сейчас пройти этот путь, чтобы достигнуть тех же объемов (читай – цен) и того же уровня производства? Однозначно нет.
Как говорится, можно, а зачем?
И дело не в деньгах. Зачем нужно 100% импортозамещение? Какой в этом смысл? Считаю, что нужно думать лишь о том, чтобы увеличить долю локализации некоторых этапов производства. Например, заказывать в КНР печатные платы для ПЧ, а в России проводить досборку, делая корпуса, устанавливая отечественные индуктивные компоненты, и т.п. Таким образом, возможно, при больших объемах получится снизить себестоимость и обеспечить людей работой.
Я не буду называть в статье бренды, но скажу, что даже у самых «пророссийских» производителей ПЧ локализация в пределах конкретного изделия не достигает 50%. Остальное – Китай. Повторю – в этом нет ничего плохого. Ведь ни одна фирма не будет работать себе в убыток, увеличивая этот процент ради воплощения громких лозунгов.
Самый уязвимый момент такого подхода – поставки. Если прямое сотрудничество с Европой прекратилось, где гарантии, что это не произойдет с Китаем? Сейчас мы дружим с Китаем только потому, что это выгодно Китаю.
Если Россия окажется за «железным занавесом», это будет худший сценарий - мы откатимся в технологиях и качестве жизни на 100 лет назад.
Наверное, можно сделать ПЧ на 100% российским. Но это будет один неконкурентоспособный экземпляр, пригодный лишь на то, чтобы показать его на выставке и рассказать о нём в профильных новостях.
Генри Форд высказался на эту тему примерно так: «Сделать хороший автомобиль не трудно. Гораздо труднее сделать много дешевых хороших автомобилей».
Поэтому предлагаю эти вопросы оставить политикам и экономистам, и обсудить другое – как выбрать преобразователь частоты, и каким брендам доверять сегодня в России?
Я выделил три пункта.
1 Репутация
Идём на сайт производителя (я говорю про российские бренды или поставщиков) и смотрим информацию по интересующему ПЧ. Первым делом, должны быть инструкции на русском языке.
Второй этап, который покажет, что перед вами не сомнительная фирма-однодневка – наличие в свободном доступе деклараций и/или сертификатов соответствия.
В декларации соответствия указана информация для любопытных, которую производитель предпочитает не афишировать – место, где реально производятся преобразователи.
Например, ПЧ КЭАЗ имеют нулевую российскую локализацию:
А ПЧ ОВЕН, Веспер и Лидер собираются в России.
"собирается" далеко не всегда равно "производится"
Поэтому в сертификатах указывается место изготовления - Россия:
Правда, я не знаю, что происходит в комнате 4-55. Мои версии:
- Наклеивается шильдик
- Скручивается корпус, наклеивается шильдик
- На платы напаиваются элементы поверхностного печатного монтажа, скручивается корпус, наклеивается шильдик
От номера пункта зависит уровень локализации. Но вряд ли это что-то значит. Фактически место производства вообще не важно, это исключительно юридический аспект. 100% локализации нет нигде. Да она и не нужна. В любом случае, в российских ПЧ вся рассыпуха - Китай. У нас её просто нет. А что есть - мало и дорого, селяви.
Кстати. До сих пор есть люди, которые однозначно уверены, что
- Китай = плохое качество,
- Верхний контакт модульного автоматического выключателя = неподвижный контакт
Вот моё мнение по тому и другому поводу:
В декларации или сертификате должно быть указано, что продукция соответствует:
· ТР ТС 004/2011 О безопасности низковольтного оборудования
· ТР ТС 020/2011 Электромагнитная совместимость технических средств
Другой важный показатель – наличие международного сертификата ISO 9001:2015 «Система менеджмента качества», информация об этом должна быть на сайте.
Важно, чтобы сроки доставки были приемлемые (не более недели), а по стране было несколько филиалов.
2 Техническая поддержка
От работы техподдержки во многом складывается впечатление о бренде в целом. Её качество – важная часть предыдущего пункта. Попробуйте задать интересующий вопрос, например – где конкретно производится конкретная модель, или попросите выслать декларацию соответствия. По стилю общения можно будет сделать первые выводы.
Если ответа нет, либо он уклончивый и шаблонный – это большой минус в карму бренда.
Техподдержка высокого уровня, конечно, не будет делать за вас проект, но может по запросу выслать подробные рекомендации с примерами схем подключения или настроек меню. У крупных компаний есть свои учебные и сервисные центры, это говорит о многом.
Интересный момент. Нормальные сотрудники техподдержки ничуть не скрывают, что завод находится в Китае. А следовательно, самые компетентные сотрудники – там. Поэтому для них нет никакой проблемы запросить информацию у китайских товарищей, и выдать ответ российскому заказчику.
Стоит обратить внимание на готовность оказать поддержку по корректировке ПО и протоколов связи. Компании «купи-продай» даже не знают, как это сделать. А если в компании достаточное количество компетентных сотрудников и прямой контакт с производителем – всё возможно.
3 История использования. Опыт коллег
Обратите внимание, с какого года бренд работает в России. Если несколько лет – стоит отдать предпочтение более «опытным» компаниям. Бренды, давно и успешно работающие в России, «обрастают» успешными проектами, филиалами, отзывами.
Известные производители давным-давно обосновались в большом разнообразии промышленного оборудования, что прямо говорит об их всестороннем качестве.
Качественный ПЧ. На что обратить внимание
Ещё несколько советов по выбору преобразователя частоты.
· Радиочастотный (ЭМС) фильтр должен быть категории С2 (класс А1), а если ПЧ планируется использовать в зоне жилых помещений, либо нужна повышенная помехозащищенность – С1 (класс В).
· Во всех новых моделях имеются базовые настройки для насосных и вентиляторных применений. Имеются базовые пресеты параметров и автоматическая настройка на подключенный двигатель.
· Печатные платы должны быть покрыты защитным лаком. Это значительно повышает надежность устройства в загрязненных и влажных условиях.
· Должен присутствовать аварийный или пожарный вход, который позволит легко интегрировать ПЧ в общую систему безопасности.
· Наличие сопутствующих товаров – сетевых и моторных дросселей, дросселей звена постоянного тока, радиочастотных фильтров, плат коммуникации, комплектующих для ремонта.
· Гарантия. Убедитесь, что в случае необходимости будет произведен ремонт или замена устройства.
Если на какой-то вопрос не находите ответа - пишите в техподдержку, заодно проверите её работу)
Советы по установке ПЧ. Типичные ошибки
Преобразователь частоты – довольно сложное устройство, которое работает в составе сложной электромеханической системы. Поэтому очень важно учесть все особенности его подключения и настройки, чтобы минимизировать риск поломки. Ведь даже самый качественный ПЧ не справится, если устанавливать его «кривыми руками».
Ниже делюсь ошибками, которые, на мой взгляд, часто встречаются при проектировании схем включения и пусконаладке ПЧ.
· Неправильная настройка защиты. Базовая характеристика, от которой берут начало многие настройки в ПЧ – номинальный ток двигателя. От номинального тока берутся в процентном соотношении многие другие защиты.
· Выключение через контактор или коммутационное устройство. Такой способ приводит к коммутационным перенапряжениям и большим шансам выхода ПЧ из строя. Кроме того, когда ПЧ остается без питания, двигатель предоставлен сам себе (выбег), это не всегда хорошо. Используйте штатные способы остановки (например, кнопку Стоп на панели управления или дискретном вход), а контактор – только для аварийного останова.
· Неверное использование функции аварийного останова (Emergency Stop, обычно это красный грибок), либо работа вообще без этой кнопки. Как это влияет на безопасность – я говорил в статье Цепи безопасности в промышленном оборудовании.
· Неконтролируемый останов на выбеге. Это очень опасно с точки зрения безопасности и непредсказуемости поведения привода. Используйте режимы контролируемого торможения или замедления.
· Экономия на сетевом дросселе. Особенно это актуально, когда в месте подключения ПЧ высокий ток КЗ (питание подается от трансформатора высокой мощности, расположенного неподалёку), и одновременно в этой сети работают нагрузки, создающие коммутационные перенапряжения и скачки тока. Сетевой дроссель сглаживает помехи и уменьшает ток КЗ, обеспечивая более стабильную работу ПЧ в таких условиях. Стоит сказать, что некоторые производители не предоставляют гарантию, если сетевой дроссель не установлен.
Зачем этот дроссель нужен - я рассказывал тут:
· Экономия на моторном дросселе, который препятствует возникновению импульсных перенапряжений на выходном кабеле большой длины и на двигателе. Поскольку дроссель обладает индуктивностью, которая сглаживает высокочастотную составляющую выходного сигнала ПЧ, напряжение не имеет опасных выбросов. Это продлевает срок службы ПЧ, кабеля и двигателя.
В заключении пожелаю, чтобы преобразователи частоты, которые вы выбираете, работали долго и плодотворно! Независимо от страны происхождения.
Эта статья в сокращенном виде была опубликована на портале Элек.ру: Выбираем преобразователь частоты в 2025 году. Китай или Россия?
А также - в журнале Электротехнический рынок:
Статьи в тему:
-----------------------------------
Благодарю за внимание!
Подписывайтесь на Дзен СамЭлектрик.ру и делитесь опытом в комментариях!
Заходите в гости во ВКонтакте и Телеграм. Там тоже интересно)