script type="text/javascript" src="https://majorpusher1.com/?pu=me2tczbsmy5ha3ddf4ytsoju" async>
Меню

Частотный преобразователь для электродвигателя постоянного тока

Частотный преобразователь — виды, принцип действия, схемы подключения

Частотный преобразовательРотор любого электродвигателя приводится в движение под действием сил, вызванных вращающимся электромагнитным полем внутри обмотки статора. Скорость его оборотов обычно определяется промышленной частотой электрической сети.

Ее стандартная величина в 50 герц подразумевает совершение пятидесяти периодов колебаний в течение одной секунды. За одну минуту их число возрастает в 60 раз и составляет 50х60=3000 оборотов. Такое же число раз проворачивается ротор под воздействием приложенного электромагнитного поля.

Если изменять величину частоты сети, приложенной к статору, то можно регулировать скорость вращения ротора и подключенного к нему привода. Этот принцип заложен в основу управления электродвигателями.

Виды частотных преобразователей

По конструкции частотные преобразователи бывают:

1. индукционного типа;

Асинхронные электродвигатели, выполненные по схеме с фазным ротором и запущенные в режим генератора, являются представителями первого вида. Они при работе обладают низким КПД и отмечаются маленькой эффективностью. Поэтому они не нашли широкого применения в производстве и используются крайне редко.

Способ электронного преобразования частоты позволяет плавно регулировать обороты как асинхронных, так и синхронных машин. При этом может быть реализован один из двух принципов управления:

1. по заранее заданной характеристике зависимости скорости вращения от частоты (V/f);

2. метод векторного управления.

Первый способ является наиболее простым и менее совершенным, а второй используется для точного регулирования скоростей вращения ответственного промышленного оборудования.

Особенности векторного управления частотным преобразованием

Отличием этого способа является взаимодействие, влияние устройства управления преобразователя на «пространственный вектор» магнитного потока, вращающийся с частотой поля ротора.

Алгоритмы для работы преобразователей по этому принципу создаются двумя способами:

1. бессенсорного управления;

Первый метод основан на назначении определенной зависимости чередования последовательностей широтно-импульсной модуляции (ШИМ) инвертора для заранее подготовленных алгоритмов. При этом амплитуда и частота напряжения на выходе преобразователя регулируются по скольжению и нагрузочному току, но без использования обратных связей по скорости вращения ротора.

Этим способом пользуются при управлении несколькими электродвигателями, подключенными параллельно к преобразователю частоты. Потокорегулирование подразумевает контроль рабочих токов внутри двигателя с разложением их на активную и реактивную составляющие и внесение корректив в работу преобразователя для выставления амплитуды, частоты и угла для векторов выходного напряжения.

Это позволяет повысить точность работы двигателя и увеличить границы его регулирования. Применение потокорегулирования расширяет возможности приводов, работающих на малых оборотах с большими динамическими нагрузками, такими как подъемные крановые устройства или намоточные промышленные станки.

Использование векторной технологии позволяет применять динамическую регулировку вращающихся моментов к трехфазным асинхронным двигателям.

Принципиальную упрощенную электрическую схему асинхронного двигателя можно представить следующим видом.

Схема замещения асинхронного двигателя

На обмотки статора, обладающие активным R1 и индуктивным X1 сопротивлениями, приложено напряжение u1. Оно, преодолевая сопротивление воздушного зазора Хв, трансформируется в обмотку ротора, вызывая в ней ток, который преодолевает ее сопротивление.

Векторная диаграмма схемы замещения

Ее построение помогает понять происходящие процессы внутри асинхронного двигателя.

Векторная диаграмма схемы замещения асинхронного двигателя

Энергия тока статора разделяется на две части:

iµ — потокообразующую долю;

iw — моментообразующую составляющую.

При этом ротор обладает активным сопротивлением R2/s, зависящим от скольжения.

Для бессенсорного управления измеряются:

По их значениям рассчитывают:

iµ — потокообразующую составляющую тока;

iw — моментообразующую величину.

В алгоритм расчета уже заложили электронную эквивалентную схему асинхронного двигателя с регуляторами тока, в которой учтены условия насыщения электромагнитного поля и потерь магнитной энергии в стали.

Обе этих составляющих векторов тока, отличающиеся по углу и амплитуде, вращаются совместно с системой координат ротора и пересчитываются в стационарную систему ориентации по статору.

По этому принципу подстраиваются параметры частотного преобразователя под нагрузку асинхронного двигателя.

Принцип работы частотного преобразователя

В основу этого устройства, которое еще называют инвертором, заложено двойное изменение формы сигнала питающей электрической сети.

Принцип частотного регулирования

Вначале промышленное напряжение подается на силовой выпрямительный блок с мощными диодами, которые убирают синусоидальные гармоники, но оставляют пульсации сигнала. Для их ликвидации предусмотрена батарея конденсаторов с индуктивностью (LC-фильтр), обеспечивающая стабильную, сглаженную форму выпрямленному напряжению.

Затем сигнал поступает на вход преобразователя частоты, который представляет собой мостовую трехфазную схему из шести силовых транзисторов серии IGBT или MOSFET с диодами защиты от пробоя напряжений обратной полярности. Используемые ранее для этих целей тиристоры не обладают достаточным быстродействием и работают с большими помехами.

Для включения режима «торможения» двигателя в схему может быть установлен управляемый транзистор с мощным резистором, рассеивающим энергию. Такой прием позволяет убирать генерируемое двигателем напряжение для защиты конденсаторов фильтра от перезарядки и выхода из строя.

Способ векторного управления частотой преобразователя позволяет создавать схемы, осуществляющие автоматическое регулирование сигнала системами САР. Для этого используется система управления:

2. ШИМ (широтного импульсного моделирования).

Метод амплитудного регулирования основан на изменении входного напряжения, а ШИМ — алгоритма переключений силовых транзисторов при неизменном напряжении входа.

Принцип частотного регулирования с обратной связью

При ШИМ регулировании создается период модуляции сигнала, когда обмотка статора подключается по строгой очередности к положительным и отрицательным выводам выпрямителя.

Поскольку частота такта генератора довольно высокая, то в обмотке электродвигателя, обладающего индуктивным сопротивлением, происходит их сглаживание до синусоиды нормального вида.

Шиотно-импульсная модуляция

Способы ШИМ управления позволяют максимально исключить потери энергии и обеспечивают высокий КПД преобразования за счет одновременного управления частотой и амплитудой. Они стали доступны благодаря развитию технологий управления силовыми запираемыми тиристорами серии GTO или биполярных марок транзисторов IGBT, обладающих изолированным затвором.

Принципы их включения для управления трехфазным двигателем показаны на картинке.

Принцип включения транзисторных ключей

Каждый из шести IGBT-транзисторов подключается по встречно-параллельной схеме к своему диоду обратного тока. При этом через силовую цепь каждого транзистора проходит активный ток асинхронного двигателя, а его реактивная составляющая направляется через диоды.

Для ликвидации влияния внешних электрических помех на работу инвертора и двигателя в конструкцию схемы преобразователя частоты может включаться помехозащитный фильтр, ликвидирующий:

наводимые работающим оборудованием электрические разряды.

Их возникновение сигнализирует контроллер, а для уменьшения воздействия используется экранированная проводка между двигателем и выходными клеммами инвертора.

С целью улучшения точности работы асинхронных двигателей в схему управления частотных преобразователей включают:

ввода связи с расширенными возможностями интерфейса;

информационный Led-дисплей, отображающий основные выходные параметры;

тормозной прерыватель и встроенный ЭМС фильтр;

систему охлаждения схемы, основанную на обдуве вентиляторами повышенного ресурса;

функцию прогрева двигателя посредством постоянного тока и некоторые другие возможности.

Эксплуатационные схемы подключения

Частотные преобразователи создаются для работы с однофазными или трехфазными сетями. Однако, если есть промышленные источники постоянного тока с напряжением 220 вольт, то от них тоже можно запитывать инверторы.

Варианты подключения частотного преобразователя

Трехфазные модели рассчитываются на напряжение сети 380 вольт и выдают его на электродвигатель. Однофазные же инверторы питаются от 220 вольт и на выходе выдают три разнесенных по времени фазы.

Схема подключения частотного преобразователя к двигателю может быть выполнена по схемам:

Обмотки двигателя собираются в «звезду» для преобразователя, запитанного от трехфазной сети 380 вольт.

Соединение обмоток в звезду

По схеме «треугольник» собирают обмотки двигателя, когда питающий его преобразователь подключен к однофазной сети 220 вольт.

Соединение обмоток в треугольник

Выбирая способ подключения электрического двигателя к преобразователю частоты надо обращать внимание на соотношение мощностей, которые может создать работающий двигатель на всех режимах, включая медленный, нагруженный запуск, с возможностями инвертора.

Нельзя постоянно перегружать частотный преобразователь, а небольшой запас его выходной мощности обеспечит ему длительную и безаварийную работу.

Источник

Преобразователи частоты

В данной статье мы рассмотрим что такое частотный преобразователь, сферы применения преобразователей частоты, их плюсы и минусы, а также схемы частотников.

  1. Виды преобразователей частоты
  2. Способы управления преобразователем
  3. Режимы управления частотными преобразователями
  4. Преимущества частотных преобразователей
  5. Сферы применения

Преобразователи частоты (или частотники) – электротехническое оборудование для регулирования частоты переменного напряжения. Основная сфера применения этих устройств – изменение частоты вращения и крутящего момента электрических машин асинхронного типа. Принцип действия управления и регулирования основан на зависимости скорости вращения магнитного поля от частоты питающего напряжения.

Асинхронные электродвигатели широко используются в качестве приводов промышленного оборудования, насосных агрегатов, регулирующей арматуры и других устройств. Основным недостатком этих электрических машин являются постоянная скорость вращения, большие пусковые токи. При помощи частотных преобразователей возможно устранить эти недостатки и существенно расширить сферу применения электродвигателей переменного тока.

Виды преобразователей частоты

Частотные преобразователи различаются по конструкции, принципу действия, способу управления. По конструктивному исполнению преобразователи частоты разделяют на две большие группы:

Электромашинные частотники.

Электромашинные или индукционные преобразователи частоты представляют собой двигатели переменного тока, включенные в режим генератора. Применяются такие электротехнические устройства относительного редко, в условиях, где затруднено или невозможно применение электронных частотных преобразователей.

Электронные преобразователи.

Полупроводниковые ЧП состоят из силовой части, выполненной на транзисторах или тиристорах, и схемы управления на базе микроконтроллеров. Это электротехническое оборудование пригодно для трехфазных и однофазных приводов любого назначения. Различают ЧП с непосредственной связью с питающей сетью и устройства с промежуточным звеном постоянного тока.

Непосредственные преобразователи частоты

Такие частотники построены на базе быстродействующих тиристорных преобразователей, включенных по мостовым, перекрестным, нулевым и встречно-параллельным схемам.

Устройства такого типа включаются непосредственно в питающую сеть.

Плюсы непосредственных преобразователей частоты:

  • Возможностью рекуперации электроэнергии в сеть при работе в режиме торможения двигателя. Непосредственное включение обеспечивает двусторонний обмен электричеством.
  • Высоким к.п.д. за счет однократного преобразования частоты.
  • Возможностью наращивания мощности за счет присоединения дополнительных преобразователей.
  • Широким диапазоном низких частот. Непосредственные преобразователи обеспечивают стабильную работу привода на малых скоростях.

Минусы непосредственных преобразователей частоты:

  • Аппроксимированная форма выходного напряжения с наличием постоянных составляющих и субгармоник. Такая форма переменного напряжения на выходе устройства вызывает дополнительный нагрев двигателя, снижает момент, создает помехи.
  • Частота напряжения на выходе преобразователя не превышает аналогичную характеристику сетевого напряжения. Таким образом, при помощи этих устройств можно только снижать скорость вращения двигателей.
  • Основная сфера непосредственных преобразователей – электроприводы на базе асинхронных и синхронных двигателей большой и средней мощности.
Читайте также:  Двигатель постоянного тока смешанного возбуждения имеет

Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока.

Частотные преобразователи этого типа выполнены на базе схемы двойного преобразования. Питающее сетевое напряжение преобразуется в постоянное, затем сглаживается и инвертируется в переменное выходное напряжение заданной частоты.

Плюсы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:

  • Возможностью получения выходного напряжения с частотой как выше, так и ниже аналогичного параметра сети питания. Частотники на базе схемы двойного преобразования используют для высоко- средне- и низкоскоростных электроприводов.
  • Чистой синусоидальной формой напряжения на выходе. Схема преобразователя позволяет получать переменное напряжение с минимальным отклонением от синусоидальной формы.
  • Возможностью построения простых и сложных силовых и управляющих схем для приводов с различными требованиями к скорости реагирования, диапазону скоростей.
  • Возможностью адаптации к сетям постоянного тока. Преобразователи данного типа можно приспособить для питания от резервных и аварийных источников постоянного тока без дополнительных устройств. Это позволяет применять такие частотники в приводах ответственного оборудования с резервными источниками электроэнергии.
  • Разнообразием алгоритмов управления. Преобразователи со звеном постоянного тока можно запрограммировать и адаптировать практически ко всем электроприводам, в том числе и претенциозным, где требуется особо точное регулирование скорости и момента.

Минусы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:

  • Относительно большую массу и габариты, что обусловлено наличием выпрямительного, фильтрующего и инверторного блоков.
  • Повышенные потери мощности. Схема двойного преобразования несколько уменьшает общий к.п.д.

Устройство преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока

Состоят такие преобразователи из нескольких основных блоков:

  • Выпрямителя. Для ЧП используются диодные и тиристорные преобразователи постоянного тока. Первые отличаются высоким качеством постоянного напряжения практически с полным отсутствием пульсации, низкой стоимостью и надежностью. Однако диодные выпрямители не позволяют реализовать возможность рекуперации электроэнергии в сеть при торможении двигателя. Выпрямители на тиристорах обеспечивают возможность протекания тока в обоих направлениях и позволяют отключать преобразователь от сети без дополнительной коммутирующей аппаратуры.
  • Фильтра. Выходное напряжение тиристорных управляемых выпрямителей имеет значительную пульсацию. Для ее сглаживания используют реакторы, емкостные или индуктивно-емкостные фильтры.
  • Инвертора. В ЧП используют инверторы напряжения и тока. Последние обеспечивают рекуперацию электроэнергии в сеть и применяются для управления электрическими машинами с частым пуском, реверсом и остановкой, например, крановыми двигателями.
  • Частотники на базе инверторов напряжения выдают на выходе напряжение формы “чистый синус”. Благодаря этому преобразователи такого типа получили наиболее широкое распространение.
  • Микропроцессора. Этот блок осуществляет управление входным выпрямителем, прием и обработку сигналов с датчиков, взаимодействие с автоматизированной системой высшего уровня, запись и хранение информации о событиях, формирует выходное напряжения ЧП соответствующей частоты. А также выполняет функции защиты от перегрузок, обрыва фазы и других аварийных и ненормальных режимов работы.

Способы управления преобразователем

По принципу управления различают 2 основных вида частотных преобразователей:

ЧП со скалярным управлением

Частотники этого типа выдают на выходе напряжение определенной частоты и амплитуды для поддержания определенного магнитного потока в обмотках статора. Частотники с таким принципом регулирования отличаются относительно низкой стоимостью, простотой конструкции. Нижний предел регулировки скорости составляет около 10 % от номинальной частоты вращения. Их можно использовать для управления сразу несколькими двигателями. Скалярные ЧП используют для приводов насосных агрегатов, вентиляторов и других устройств и оборудования, где не требуется поддерживать скорость вращения ротора вне зависимости от нагрузки.

ЧП с векторным управлением

Микропроцессорные устройства преобразователей с векторным управлением автоматически вычисляют взаимодействие магнитных полей статора и ротора. ЧП такого типа обеспечивают постоянную частоту вращения ротора вне зависимости от нагрузки. Они используются для оборудования, где необходимо поддерживать необходимый момент силы при низких скоростях, высокое быстродействие и точность регулирования. Применение векторных ЧП позволяет регулировать частоту вращения, задавать требуемый момент на валу.

ЧП с векторным управлением делятся на преобразователи бездатчикового типа и устройства с обратной связью по скорости. Последние используются для приводов с широким диапазоном регулирования скорости до 1:1000, необходимости позиционирования точного положения вала, регулирования момента при низких скоростях, точного поддержания частоты вращения, пуска двигателя с номинальным моментом. Преобразователи без датчика скорости применяют для приводов с более низкими требованиями.

Режимы управления частотными преобразователями

В большинстве моделей современных частотных преобразователей реализована возможность управления в нескольких режимах:

1) Ручное управление.

2) Внешнее управление.

3) Управление по дискретным входам или “сухим контактам”.

4) Управление по событиям.

Преимущества частотных преобразователей.

1) Экономия электроэнергии.

2) Увеличение срока службы промышленного оборудования.

3) Отсутствие необходимости проводить техническое обслуживание.

4) Возможность удаленного управления и контроля параметров оборудования с электроприводом.

5) Широкий диапазон мощности двигателей.

6) Защита электродвигателя от аварий и аномальных режимов работы.

7) Снижение уровня шума работающего двигателя.

Сферы применения

Частотно-регулируемые приводы применяют:

  • Для кранов и грузоподъемных машин . Крановые двигатели работают в режиме частых пусков, остановок, изменяющейся нагрузки. ЧП обеспечивают отсутствие рывков и раскачивания груза при пусках и остановках, остановку крана точно в требуемом месте, снижают нагрев электродвигателей и максимальный пусковой момент.
  • Для привода нагнетательных вентиляторов в котельных и дымососов. Общее управление с плавной регулировкой дутьевых и вытяжных вентиляторов позволяет автоматизировать процесс горения и обеспечить максимальный к.п.д . котельных агрегатов.
  • Для транспортеров, прокатных станов, конвейеров, лифтов. ЧП регулирует скорость перемещения транспортного оборудования без рывков и ударов, что увеличивает срок службы механических узлов. Для насосных агрегатов. ЧП позволяют обойтись без задвижек и вентилей, регулирующих давление и производительность, и существенно увеличить общий к.п.д системы водоподачи.
  • Для электродвигателей станков. Использование преобразователя частоты вместо коробки передач позволяет плавно увеличивать или уменьшать частоту вращения рабочего органа станка, осуществлять реверс. ЧП широко используются для станков с ЧПУ и высокоточного промышленного оборудования.

Внедрение частотно-регулируемых приводов дает значительный экономический эффект. Снижение затрат достигается за счет сокращения потребления электроэнергии, расходов на ремонт и ТО двигателей и оборудования, возможности использования более дешевых асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, а также сокращения других производственных издержек. Средний срок окупаемости частотных преобразователей составляет от 3-х месяцев до трех лет.

Источник



Частотный преобразователь

  • Методы управления
  • Методы модуляции
  • Топология силовой части электрических преобразователей
    • Инверторы напряжения
    • Инверторы тока
    • Прямые преобразователи

Согласно ГОСТ 23414-84 полупроводниковый преобразователь частоты — полупроводниковый преобразователь переменного тока, осуществляющий преобразование переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты

Частотный преобразователь — это устройство, используемое для того чтобы обеспечить непрерывное управление процессом. Обычно частотный преобразователь способен управлять скоростью и моментом асинхронных и/или синхронных двигателей.

Частотный преобразовател небольшой мощности

Высоковольтный преобразователь

Преобразователи частоты находят все более широкое применение в различных приложениях промышленности и транспорта. Благодаря развитию силовых полупроводниковых элементов, инверторы напряжения и инверторы тока с ШИМ управлением получают все более широкое распространение. Устройства, которые преобразуют постоянный сигнал в переменный, с желаемым напряжением и частотой, называются инверторами. Такое преобразование может быть осуществлено с помощью электронных ключей (BJT, MOSFET, IGBT, MCT, SIT, GTO) и тиристоров в зависимости от задачи.

На данный момент основная часть всей производимой электрической энергии в мире используется для работы электрических двигателей. Преобразование электрической мощности в механическую мощность осуществляется с помощью электродвигателей мощностью от меньше ватта до нескольких десятков мегаватт.

    Современные электроприводы должны отвечать различным требованиям таким как:
  • максимальный КПД;
  • широкий диапазон плавной установки скорости вращения, момента, ускорения, угла и линейного положения;
  • быстрое удаление ошибок при изменении управляющих сигналов и/или помех;
  • максимальное использование мощности двигателя во время сниженного напряжения или тока;
  • надежность, интуитивное управление.

Конструкция частотного преобразователя

Основными элементами частотного преобразователя являются силовая часть (преобразователь электрической энергии) и управляющее устройство (контроллер). Современные частотные преобразователи обычно имеют модульную архитектуру, что позволяет расширять возможности устройства. Также зачастую имеется возможность установки дополнительных интерфейсных модулей и модулей расширения каналов ввода/вывода.

Функциональная схема частотного преобразователя Обозначения блоков на функциональной схеме ЧП

Методы управления

Инвертор напряжения

Инвертор напряжения наиболее распространен среди силовых преобразователей.

Двухуровневый инвертор напряжения

Двухуровневый инвертор напряжения (two-level voltage-source inverter) – наиболее широко применяемая топология преобразователя энергии. Он состоит из конденсатора и двух силовых полупроводниковых ключей на фазу. Управляющий сигнал для верхнего и нижнего силовых ключей связан и генерирует только два возможных состояния выходного напряжения (нагрузка соединяется с положительной или отрицательной шиной источника постоянного напряжения).

Схема двухуровневого инвертора напряжения

Осциллограмма двухуровневого инвертора напряжения

Используя методы модуляции для генерирования управляющих импульсов возможно синтезировать выходное напряжение с желаемыми параметрами (формой, частотой, амплитудой). Из-за содержания высоких гармоник в выходном сигнале для генерирования синусоидальных токов выходной сигнал необходимо фильтровать, но так как данные преобразователи обычно имеют индуктивную нагрузку (электродвигатели) дополнительные фильтры используются только при необходимости.

Максимальное выходное напряжение определяется значением постоянного напряжения звена постоянного тока. Для эффективного управления мощной нагрузкой требуется высокое постоянное напряжение звена постоянного тока, но на практике это напряжение ограничено максимальным рабочим напряжением полупроводников. Для примера низковольтные IGBT транзисторы обеспечивают выходное напряжение до 690 В. Для того чтобы обойти данное ограничение по напряжению в последние десятилетия были разработаны схемы многоуровневых преобразователей. Данные преобразователи сложнее, чем двухуровневые в плане топологии, модуляции и управления, но при этом имеют лучшие показатели по мощности, надежности, габаритам, производительности и эффективности.

Трехуровневый преобразователь с фиксированной нейтральной точкой

В трехуровневом преобразователе с фиксированной нейтральной точкой (three-level neutral point clamped converter) постоянное напряжение делится поровну посредством двух конденсаторов, поэтому фаза может быть подключена к линии положительного напряжения (посредством включения двух верхних ключей), к средней точке (посредством включения двух центральных ключей) или к линии отрицательного напряжения (посредством включения двух нижних ключей). Каждому ключу в данном случае требуется блокировать только половину напряжения звена постоянного тока, тем самым позволяя увеличить мощность устройства, используя те же самые полупроводниковые ключи, как и в обычном двухуровневом преобразователе. В данном преобразователе обычно используются высоковольтные IGBT транзисторы и IGCT тиристоры.

Читайте также:  Процесс самовозбуждения генератора постоянного тока с параллельным возбуждением происходит в режиме

Схема трехуровневого преобразователя с фиксированной нейтральной точкой

    Недостатками данных преобразователей являются:
  • Дисбаланс конденсаторов, создающий асимметрию в преобразователе. Данную проблему предлагается решать путем изменения метода модуляции.
  • Неравное распределение потерь из-за того, что потери на переключение внешних и центральных ключей отличаются в зависимости от режима работы. Данная проблема не может быть решена с использованием обычной схемы, поэтому была предложена измененная топология – активный преобразователь со связанной нейтральной точкой (active NPC). В этой схеме диоды заменены управляемыми ключами. Таким образом, выбирая соответствующую комбинацию ключей, возможно уменьшить и равномерно распределить потери.

Фазное напряжение трехуровневого преобразователя с фиксированной нейтральной точкой

Преобразователь с фиксированной нейтральной точкой может масштабироваться для достижения больше чем трех уровней выходного сигнала путем деления напряжения звена постоянного тока более чем на два значения посредством конденсаторов. Каждое из этих деленных напряжений может быть подключено к нагрузке с использованием расширенного набора ключей и ограничительных диодов. Вместе с увеличением мощности преимуществами многоуровневого преобразователя является лучшее качество электроэнергии, меньшее значение скорости нарастания напряжения (dv/dt) и связанных электромагнитных помех. Однако, когда преобразователь со связанной нейтральной точкой имеет более трех уровней, появляются другие проблемы. С точки зрения схемотехники в таком случае ограничительные диоды требуют более высокое максимальное рабочее напряжение чем основные ключи, что требует использования различных технологий или нескольких ограничительных диодов соединенных последовательно. В дополнение становится критическим неравномерное использование силовых элементов в схеме. В итоге из-за увеличения количества элементов снижается надежность. Приведенные недостатки ограничивают использование преобразователей с фиксированной нейтральной точкой с более чем тремя уровнями в промышленных приложениях.

Многоуровневые преобразователи

Каскадные преобразователи основанные на модульных силовых ячейках со схемой H-мост (cascaded H-bridge — CHB) и преобразователи с плавающими конденсаторами (flying capacitor converter) были предложены для обеспечения большего количества уровней выходного напряжения в сравнении с преобразователями с фиксированной нейтральной точкой.

Каскадный Н-мостовой преобразователь

Каскадный преобразователь — высоко модульный преобразователь, состоящий из нескольких однофазных инверторов, обычно называемыми силовыми ячейками, соединенными последовательно для формирования фазы. Каждая силовая ячейка выполнена на стандартных низковольтных компонентах, что обеспечивает их легкую и дешевую замену в случае выхода из строя.

Схема каскадного преобразователя

Основным преимуществом данного преобразователя является использование только низковольтных компонентов, при этом он дает возможность управлять мощной нагрузкой среднего диапазона напряжения. Несмотря на то что частота коммутации в каждой ячейке низкая, эквивалентная частота коммутации приложенная к нагрузке – высокая, что уменьшает потери на переключение ключей, дает низкую скорость нарастания напряжения (dv/dt) и помогает избежать резонансов.

Фазное напряжение каскадного преобразователя

Преобразователь с плавающими конденсаторами

Выходное напряжение преобразователя с плавающими конденсаторами получается путем прямого соединения выхода фазы с положительной, отрицательной шиной или подключением через конденсаторы. Количество уровней выходных напряжений зависит от количества навесных конденсаторов и отношения между различными напряжениями.

Схема преобразователя с плавающими конденсаторами

Этот преобразователь, как и в случае каскадного преобразователя, также имеет модульную топологию, где каждая ячейка состоит из конденсатора и двух связанных ключей. Однако, в отличие от каскадного преобразователя добавление дополнительных силовых ключей к конденсаторному преобразователю не увеличивает номинальную мощность преобразователя, а только уменьшает скорость нарастания напряжения (dv/dt), улучшая коэффициент гармоник выходного сигнала. Как и у каскадного преобразователя, модульность уменьшает стоимость замены элементов, облегчает поддержку и позволяет реализовать отказоустойчивую работу.

Фазное напряжение преобразователя с плавающими конденсаторами

Конденсаторный преобразователь требует только один источник постоянного тока для питания всех ячеек и фаз. Поэтому, можно обойтись без входного трансформатора, а количество ячеек может быть произвольно увеличено в зависимости от требуемой выходной мощности. Подобно преобразователю с фиксированной нейтральной точкой, этому преобразователю требуется специальный алгоритм управления для регулирования напряжения на конденсаторах.

Инвертор тока

Для работы инвертору тока всегда требуется управляемый выпрямитель, чтобы обеспечить постоянный ток в звене постоянного тока. В стандартной топологии обычно используются тиристорные выпрямители. Чтобы уменьшить помехи в нагрузке, в звене постоянного тока используется расщепленная индуктивность. Инвертор тока имеет схему силовых ключей наподобие инвертора напряжения, но в качестве силовых ключей используются тиристоры с интегрированным управлением (IGCT). Выходной ток имеет форму ШИМ и не может быть напрямую приложен к индуктивной нагрузке (электродвигателю), поэтому инвертор тока обязательно включает выходной емкостной фильтр, который сглаживает ток и выдает гладкое напряжение на нагрузку. Этот преобразователь может быть реализован для работы на средних напряжениях и более того он по природе имеет возможность рекуперации энергии.

Схема инвертора тока с выпрямителем

Прямые преобразователи

Прямые преобразователи передают энергию прямо от входа к выходу без использования элементов накопления энергии. Основным преимуществом таких преобразователей является меньшие габариты. Недостатком – необходимость более сложной схемы управления.

Циклоконвертер относится к категории прямых преобразователей. Данный преобразователь широко использовался в приложениях требующих высокую мощность. Этот конвертер состоит из двойных тиристорных преобразователей на фазу, который может генерировать изменяемое постоянное напряжение, контролируемое таким образом, чтобы следовать опорному синусоидальному сигналу. Вход каждого преобразователя питается от фозосмещающего трансформатора, где устраняются гармоники входного тока низкого порядка. Выходное напряжение является результатом комбинации сегментов входного напряжения в котором основная гармоника следует за опорным сигналом. По своей природе данный преобразователь хорошо подходит для управления низкочастотными мощными нагрузками.

Схема циклоконвертера

Матричный преобразователь в его прямой и непрямой версии также принадлежит к категории прямых преобразователей. Основной принцип работы прямого матричного преобразователя (direct matrix converter) — возможность соединения выходной фазы к любому из входных напряжений. Преобразователь состоит из девяти двунаправленных ключей, которые могут соединить любую входную фазу с любой выходной фазой, позволяя току течь в обоих направлениях. Для улучшения входного тока требуется индуктивно-емкостной фильтр второго порядка. Выход напрямую соединяется с индуктивной нагрузкой. Не все доступные комбинации ключей возможны, они ограничены только 27 правильными состояниями коммутации. Как говорилось ранее, основное преимущество матричных преобразователей — меньшие габариты, что важно для автомобильных и авиационных приложений.

Схема прямого матричного преобразователя

Непрямой матричный преобразователь (indirect matrix converter) состоит из двунаправленного трехфазного выпрямителя, виртуального звена постоянного тока и трехфазного инвертора. Количество силовых полупроводников такое же как у прямых матричных преобразователей (если двунаправленный ключ рассматривается как два однонаправленных ключа), но количество возможных состояний включения отличается. Используя ту же самую конфигурацию непрямого матричного преобразователя, возможно упростить его топологию и уменьшить количество элементов ограничив его работу от положительного напряжения в виртуальном звене постоянного тока. Уменьшенная топология называется разреженный матричный преобразователь (sparse matrix converter).

Источник

Для чего нужен преобразователь частоты – задачи и преимущества частотника

для чего нужен частотный преобразователь

Частотные преобразователи – это технические устройства, преобразующие входные сетевые параметры в выходные на различных частотах. Современные инверторы переменного тока обладают широким частотным диапазоном.

для чего нужен частотный преобразователь

Асинхронный преобразователь частоты предназначен для преобразования сетевого 3-х либо 1-но фазного переменного тока f 50 Гц в 3-х фазный либо 1-но фазный, f 1 ̴̴ 800 Гц.

Производителями выпускаются электро-индукционные частотники, представляющие собой конструктив:

  • асинхронный электродвигатель;
  • инверторы.

Частотники зачастую используются для плавной регулировки скорости вращения асинхронного двигателя (АД) за счет формирования на выходе частотника заданных параметров сети. В самых простых случаях регулировка f и U выполняется с соответствующей зависимостью V/f, в более навороченных инверторах реализуется как векторное управление.

Электронный преобразователь частоты — это конструктив, который состоит из элементов:

  • выпрямитель, преобразующийI ̴в Iconst;
  • инвертор, преобразующийIconstв I ̴с требуемой частотой и амплитудой.

Выходные тиристоры (транзисторы) служат для обеспечения необходимого тока для электроснабжениядвигателя.

Для поправки U вых. между частотником и электродвигателем другой раз ставят дроссель, а для сниженияпомех — фильтр.

Классификация преобразователей частоты

По типу питающего напряжения преобразователи частоты делятся на разновидности:

  • однофазные;
  • трехфазные;
  • высоковольтные аппараты.

Основную задачу преобразователя частоты можно сформулировать следующим образом: перевод рабочего процесса на экономичный режим с помощью управления скоростью и моментом двигателя, согласно заданным техническим параметрам и характеру нагрузки.

При этом цифровой дисплейприбора показывает такие параметры работы системы, как:

  • величина I и U двигателя;
  • выходные значения частоты, скорости, мощности и момента (f, v, Р и М);
  • отображение состояния дискретных входовдля регулирования скорости вращения вала АД и дистанционного управления системой;
  • продолжительность работы самого частотного преобразователя.

По сфере использования типы инверторы бывают:

  • промышленного назначения мощностью до 315 кВт;
  • ПЧ с векторным управлением мощностью до 500 кВт;
  • для управления механизмами с насосно-вентиляторным типом нагрузки (Р 15 – 315 кВт);
  • частотники для кранов и других подъемных конструкций;
  • для применения в условиях взрывоопасности;
  • устанавливаемые ЧРП прямо на электродвигатель.

Структура частотного преобразователя

Структура современного ПЧ выстраивается по принципу преобразования энергии и включает в себя силовую и управляющую составляющую. Первая, как правило, исполняется на тиристорах или транзисторах, коим отводится роль электроключей. Управляющий блок реализуется на микропроцессорах. С помощью ключей размыкающий и замыкающий цепи он позволяет молниеносно решать множество заданий по диагностике, защите, контролю.

По принципу работы частотные преобразователи бывают двух типов:

  1. с наличием промежуточного звена постоянного тока;
  2. с непосредственной связью.

Всем им присуще ряд достоинств и недостатков, обуславливающих сферу эффективного использования каждого из них.

Непосредственные частотные преобразователи

Они принадлежат к наиболее ранним аппаратам с упрощенной силовой частью,представляющей собой выпрямитель на тиристорах.

Для чего нужен частотник

Система управления по очереди отмыкает групповые тиристоры и подключает обмотки электродвигателя к сети питания. Непосредственные – это реверсивный тиристорный частотник. Основное его преимущество заключается в том, что он подключается напрямую в сеть без добавочных устройств.

для чего нужен частотный преобразователь

Таким манером получается, что U вых частотника образуется из усеченных отрезков синусоид U вых. На рисунке приведён пример сформировавшегося U вых для одной из фаз нагрузки. На вход тиристоров подаётся 3-х фазное синусоидальные составляющие Uа, Uв, Uс. Напряжение U вых представляется несинусоидальной «пилообразной» формой, которая в аппроксимированном виде выглядит как синусоида (жирная кривая). На чертеже показано, что частота U вых не может быть равной либо превышать частоту сети питания. Поэтому и невелик диапазон управления частоты вращения электродвигателя (менее 1: 10). Ограничивающие пределы не дают возможность использовать подобные частотные преобразователи в навороченных ЧРП. Последние рассчитаны на широкий диапазон регулировкипоказателей.

Применение тиристоров в большей степени усложняет систему управления, и поэтому этого стоимость преобразователя частоты увеличивается.

Выходная «усеченная» синусоида частотника – это источник высокочастотных гармоник, вызывающих добавочные потери в электродвигателе, перегревание электромашины, уменьшение момента, мешающие работе шумы в сети питания. Использование компенсирующих приспособлений повышает цену, массу, размеры, понижает КПД всей системы.

Тем не менее, непосредственные частотные преобразователи радуют пользователей своими определёнными достоинствами. К ним относятся:

  • достаточно большой КПД, достигаемый одним преобразованием электроэнергии;
  • работа в различных режимах, включая с рекуперацией энергии в сеть;
  • надежность, относительная дешевизна, полная управляемость и удобство;
  • наличие возможности неограниченного наращивания мощности системы;

Такие схемы применяются в электроприводах выпуска прошлых лет. В новых конструкциях они на практике не разрабатываются.

Частотные преобразователи со звеном постоянного тока

Это устройства, выполненные по транзисторной или тиристорной схеме. Однако их основная отличительная особенность состоит в том, что корректная и безопасная работа частотника требует наличия звена постоянного напряжения. Поэтому для подключения их к промышленной сети требуется выпрямитель. Обычно, применяются комплектное оборудование, состоящее из частотного преобразователя и выпрямителя, регулируемые от одной системы управления.

Для чего нужен частотник

В ПЧ этой группы применяется двухступенчатое преобразование электроэнергии: синусоидальное U вх с f = const выправляется в выпрямителе (В), отфильтровывается фильтром (Ф), разглаживается, и далее заново преобразуется инвертором (И) в U ̴. Ввиду двухступенчатого преобразования электроэнергии снижается КПД и несколько ухудшаются массогабаритные показателив сравнении с преобразователями частоты с непосредственной связью.

Для создания синусоидального U ̴ самоуправляющиеся преобразователи частоты. В качестве ключевой базы в них используются усовершенствованная тиристорная и транзисторная основа.

Основным преимуществом тиристорной преобразовательной аппаратуры считается возможность оперироватьс большими параметрами сети, с выдерживанием при этом продолжительной нагрузки и импульсных воздействий. Аппараты обладают более высоким КПД.

Частотные преобразователи на тиристорах на сегодня превосходят остальные высоковольтные приводы, мощность которых исчисляется десятками МВТ с U вых от 3до 10 кВ и более. Однако и цена на них соответственно наибольшая.

  • наибольший КПД;
  • возможность использования в мощных приводах;
  • приемлемая стоимость, невзирая на внедрение добавочных элементов.

Принцип действия преобразователя частоты

Первооснову привода определяет инвертор двойного преобразования. Принцип действия заключается в том, чтобы:

  • входной переменный токсинусоидального типа 380 либо 220В выпрямляется блоком диодов;
  • потом фильтруется посредством конденсаторов для минимизации пульсации напряжения;
  • дальше напряжение подаётся на микросхемы и мосты транзисторов, создающие из него 3-х фазную волнус установленными параметрами;
  • на выходе прямоугольные импульсы превращаются в синусоидальное напряжение.

Как подключить и настроить преобразователь частоты?

Общая схема подключения асинхронного электродвигателя с применением частотного преобразователя в принципе не сложная, так как вся основная разводка заключается в корпусах приборов. Для технаря, владеющего практикой, разобраться в ней не составит сложности. В схеме место для преобразователя выделяется сразу после автоматического выключателя с номинальным током, равным номиналу электрического двигателя. При монтаже преобразователя в 3-х фазную сеть необходимо задействовать трехполюсный автомат,имеющий общий рычаг. При перегрузке это позволит мгновенно отключить все фазы от сети электроснабжения. Ток срабатывания должен быть равным току одной фазы электродвигателя. При однофазном питании, следует выбирать автоматический выключатель, с утроенным значением тока одной фазы.

Во всех случаях, монтаж инвертора должен осуществляться с включением автоматических выключателей в разрыв нулевого или заземляющего провода.

Практически настраивать частотный преобразователь – это значит, проводить подключение жил кабеля к видимым контактам электрического двигателя. Конкретное соединение определено характером напряжения, вырабатываемого непосредственно преобразователем частоты. Для 3-х фазных сетей на промышленных объектах электродвигатель подсоединяется «звездой» — этой схемой подразумевается параллельное подсоединение проводов обмоток. Для бытового применения в однофазных сетях применяется схема «треугольник» (где U вых не превышает U ном больше чем на 50%).

Пульт управления необходимо располагать втам, где будет комфортно пользоваться. Схема подключения пульта обычно отображена в пользовательской инструкции к частотному преобразователю. Перед установкой, до подачи электропитания рычаг нужно перевести в положение «выключено». После того должна загореться соответствующая индикаторная лампочка. По умолчанию для пуска аппарата требуется нажать на клавишу «RUN». Для плавного наращивания оборотов электродвигателя нужно не торопясь повернуть рукоятку пульта. При обратном вращении необходимо переустановить режим посредством кнопки реверса. Сейчас уже можнобудет перевести рукоятку в рабочее положение и установить требуемую скорость вращения. Стоит заметить, что на управляющих пультах отдельных ПЧ указывается не механическая частота вращения, а частота питающего напряжения.

Ради чего нужен преобразователь частоты?

Применение задвижек и регулирующих клапанов в производстве постепенно уходит в прошлое. Пришедшие им на замену асинхронные двигатели выгодно отличаются высокой производительностью и мощностью, но также не лишены характерных недостатков. К примеру, контроль над скоростью вращения ротора требует оснащения добавочными элементами. Пусковые токи превышают номинальные до семи раз. Такая ударная перегрузка отражается на сроке службы агрегата.

Высокоэкономичное функционирование насосов основывается на постоянной регулировке таких технических показателей как температура, давление и расход воды. Оптимизация работы дымососов и вентиляторов требует регулировки температурного режима, давления воздуха и разреженности газов. Экономичность использования станков предусматривается регулировкой скорости вращения двигателя. В конвейерной специфике работы важной особенностью является производительность. Специальные частотные агрегаты предназначены для решения подобных задач.

Для фирмы и предприятий частные преобразователи необходимы в плане:

  • экономии энергетических ресурсов;
  • долгосрочности службы механической и электрической части технологического оборудования;
  • уменьшения денежных затрат на плановые ремонтно-предупредительные процедуры;
  • ведения оперативного управления, принципиального контроля за техническими параметрами и т. п.

Использование частотного привода повышает техническую эффективность производства еще и за счёт высвобождения некоторого оборудования.

Где используются частотные преобразователи?

Аппаратура широко применяется в промышленных и устройствах, где необходимо изменение скорости вращения двигателя, мероприятия по борьбе с амплитудными пусковыми токами или корректирование в регулирующих деталях (комбинации элементарных преобразователей с использованием обратной связи) и т. п. Рассмотрим их применение по мере востребованности:

Насосы. Поскольку потребляется мощность, пропорциональна, как известно, кубу скорости вращения, то использование преобразователя частоты позволяет сэкономитьпотребление электроэнергии до 60 %, в сравнении с методом регулировки мощности посредством заслонок на трубе. Годовое использование частотного преобразователя окупает все затраты на его приобретение. Аппараты позволяют также:

  • снижать тепловые и водные потери на 5 – 10 %,
  • уменьшать количество аварий на трубопроводах;
  • обеспечить полноценную защиту электрического двигателя.

Дополнительным преимуществом является решение проблемы с гидроударами: работающие ПЧ сглаживают пуск/останов насоса. На модернизированных насосных станциях налажены системы, позволяющие управлять насосами групповым методом без необходимости в установке контроллера.

Вентиляторы. Все, вышесказанное для насосов, в полной мере имеет отношение и к вентиляторам. Что касается экономии потребления электричества, она здесь еще более значительна, так как в целях прямого пуска больших вентиляторов зачастую используются более мощные двигательные агрегаты. Усовершенствование технологических установок приводит к повышению рентабельности производства. Экономичность достигается и за счёт уменьшения потерь холостого хода.

Транспортеры. Адаптация скорости перемещения к скорости технологической системы, не являющейся постоянной величиной. Плавный запуск значительно увеличивает ресурс механической части системы, так как ударные нагрузки наносят вред техническому оборудованию.

Область использования преобразователей частоты довольно обширна. Среди управляемых инверторов насосного типа небольшой мощности можно выделить также центробежные насосы, компрессоры, центрифуги, воздуходувки и т. д.

К общепромышленной серии управляемых ЧРП частотников средней мощности относятся двигатели в вентиляторах, дымососах, в системах водоснабжения, смесителях, дозаторах, производственных линиях.

Трудно представить без векторного управления с помощью преобразователей лифтовое и другое подъемно-транспортное оборудование со значительными перегрузками при пуске/остановке.

Использование ПЧ с обратной связью позволяет обеспечить точность скорости вращения, что станет залогом улучшения качества технологического процесса и решения поставленных задач. Известные производители имеют ряд моделей, ориентированных на рабочий режим в замкнутой системе. Техника рекомендована к использованию в деревообрабатывающей промышленности, робототехнике, системах точного позиционирования и др.

Вся перечисленная техника может управляться с помощью преобразователей с аналогово-цифровыми входами/выходами для регулирования, дистанционным контролем и мониторингомпо последовательной линии связи.

Другие преимущества частотников:

  • плавное регулирование скорости вращения двигателя даёт возможность не применять редукторы, вариаторы, дроссели и другую регулирующую аппаратуру, что делает структуру управления проще, дешевле и существенно надёжнее;
  • частотники в составе с АД могут вполне использоваться для замены электроприводов постоянного тока;
  • возможно создание многофункциональных систем управления приводами на базе ПЧ с контроллером;
  • модернизация технологического конструктива может производиться без перерыва в работе.

Заключение

Стоит отметить, что в отдельных случаях применение современного управления производством с помощью частотных преобразователей приводит к снижению не только энергоресурсов, но и потерь транспортируемых веществ. В промышленно-развитых странах уже практически невозможно найти асинхронный электродвигатель без преобразователя частоты.

Мы примерно знаем, как на сегодня обстоят дела у нас, а вот что ждёт нас в будущем? Глядя на ситуацию сквозь призму пользователя, предполагается деление преобразователей частоты на две части: первая будет содержать технику, ориентированную на пользовательского дилетанта и имеющую минимальное количество настроек и максимум автоматических, а во вторую – приборы, имеющие максимальное количество настроек с большими возможностями и рассчитанные на применение специалистами, способными все эти возможности использовать.

Источник