• Материаловедение
• Генераторы c автозапуском
• Вентиляторы
• Садовая техника
• Двигатели
• Автоматизация производства
• Новости

Главная › Новости

Виды частотных преобразователей

Опубликовано: 06.09.2018

Модуль №5. Принцип работы и структура преобразователя частоты

Для преобразования сетевого переменного напряжения промышленной частоты 50/60 Гц в переменное напряжение другой частоты используют устройства, называемые частотными преобразователями. Выходная частота преобразователя частоты может варьироваться в широких пределах, обычно — от 0,5 до 400 Гц. Более высокие частоты неприемлемы для современных двигателей в силу особенностей материалов, из которых изготавливаются сердечники статора и ротора.

Любой частотный преобразователь включает в себя две основные части: управляющую и силовую. Управляющая часть представляет собой схему на цифровой микросхеме, которая обеспечивает управление ключами силовой части, а также служит для контроля, диагностики и защиты питаемого привода и самого преобразователя.

Силовая часть включает в себя непосредственно ключи — мощные транзисторы или тиристоры. При этом частотные преобразователи бывают двух видов: с выраженным участком постоянного тока или с прямой связью. Преобразователи с непосредственной связью имеют КПД до 98%, и способны работать со значительными напряжениями и токами. Вообще, каждый из двух названных видов частотников отличается индивидуальными достоинствами и недостатками, и для различных применений может оказаться рациональным применить тот либо другой.

С непосредственной связью

Частотные преобразователи с прямой гальванической связью появились на рынке первыми, их силовая часть — это управляемый тиристорный выпрямитель, в котором поочередно открываются определенные группы запираемых тиристоров, и по очереди подключают к сети обмотки статора. То есть в итоге напряжение, подаваемое на статор, по форме представляет собой кусочки сетевой синусоиды, которые и подаются поочередно на обмотки.

Синусоидальное напряжение превращается на выходе в пилообразное. Частота получается ниже сетевой — от 0,5 до примерно 40 Гц. Очевидно, области применения преобразователей такого типа получается ограниченной. Тиристоры же незапираемые требуют более сложных схем управления, что повышает стоимость данных приборов.

Кусочки синусоиды на выходе порождают высшие гармоники, а это дополнительные потери и перегрев двигателя со снижением вращающего момента на валу, кроме того в сеть идут неслабые помехи. Если применяются устройства компенсации, то опять же стоимость возрастает, габариты и масса увеличиваются, снижается КПД преобразователя.

К достоинствам частотников с непосредственной гальванической связью относятся:

При этом высоковольтные частотные преобразователи, конечно, выходят дороже низковольтных. Раньше использовались всюду где необходимо — именно тиристорные преобразователи с непосредственной связью.

С выраженным звеном постоянного тока

Для современных приводов, с целью частотного регулирования, более широко применяются частотные преобразователи с выраженным блоком постоянного тока. Здесь преобразование выполняется в два шага. Сначала входное сетевое напряжение выпрямляется и фильтруется, сглаживается, затем подается на инвертор, где преобразуется в переменный ток требуемой частоты и напряжение необходимой амплитуды.

КПД при таком двойном преобразовании снижается, да и габариты устройства становятся несколько больше, нежели у преобразователей с непосредственной электрической связью. Синусоида формируется здесь автономным инвертором тока и напряжения.

В частотных преобразователях со звеном постоянного тока в качестве силовых ключей выступают запираемые тиристоры или IGBT-транзисторы . Запираемые тиристоры использовались в основном в первых выпускаемых частотных преобразователях такого типа, затем, с появлением на рынке IGBT-транзисторов, именно преобразователи на данных транзисторах стали доминировать среди низковольтных устройств.

Для включения тиристора достаточно короткого импульса, поданного на управляющий электрод, а для выключения нужно приложить к тиристору обратное напряжение или сбросить ток коммутации до нуля. Требуется специальная схема управления — сложная и габаритная. Биполярные же IGBT-транзисторы обладают более гибкой управляемостью, менее энергозатратной и довольно высокоскоростной.

По этой причине именно частотные преобразователи на базе IGBT-транзисторов позволили расширить диапазон скоростей управления приводами: асинхронные двигатели векторного управления на базе IGBT-транзисторов могут спокойно работать на малых скоростях без потребности в датчиках обратной связи.

Микропроцессоры вкупе с быстродействующими транзисторами дают на выходе меньше высших гармоник, нежели тиристорные преобразователи. В результате потери оказываются меньше, меньше перегреваются обмотки и магнитопровод, пульсации ротора на низких частотах снижаются. Меньше потерь в конденсаторных батареях, в трансформаторах, - срок службы этих элементов увеличивается. Погрешностей при работе становится меньше.

Если сравнить тиристорный преобразователь с транзисторным той же выходной мощности, то второй будет меньше весить, будет меньше в размерах, его работа окажется более надежной и ровной. Модульное исполнение IGBT-ключей позволяет эффективнее отводить тепло, и требует меньше места для монтажа силовых элементов, к тому же модульные ключи лучше защищены от коммутационных перенапряжений, то есть вероятность отказа ниже.

Частотные преобразователи на базе IGBT стоят дороже, поскольку силовые модули являются сложными в производстве электронными компонентами. Тем не менее, цена оправдывается качеством. Статистика при этом свидетельствует о тенденции к снижению с каждым годом цен на IGBT-транзисторы.

Принцип работы частотного преобразователя на IGBT

На рисунке представлена схема частотного преобразователя и графики токов и напряжений на каждом из элементов. Переменное сетевое напряжение постоянной амплитуды и частоты подается на выпрямитель, который может быть управляемым или неуправляемым. После выпрямителя стоит конденсатор — емкостной фильтр. Эти два элемента — выпрямитель и конденсатор — образуют собой узел постоянного тока.

С фильтра уже постоянное напряжение подается на автономный импульсный инвертор, в котором и работают IGBT-транзисторы. На схеме представлено типичное для современных частотных преобразователей решение. Постоянное напряжение преобразуется в трехфазное импульсное с регулируемой частотой и амплитудой.

Система управления подает на каждый из ключей своевременно сигналы, и соответствующие обмотки последовательно коммутируются к звену постоянного тока. При этом продолжительность подключения обмоток к звену модулируется приближаясь к синусу. Так, в центральной части полупериода ширина импульсов наибольшая, а по краям — меньше всего. Здесь имеет место широтно-импульсная модуляция напряжения на обмотках статора двигателя. Частота ШИМ достигает обычно 15 кГц, и обмотки сами работают как индуктивный фильтр, в итоге токи через них практически синусоидальны.

Если на входе выпрямитель управляемый, то изменение амплитуды происходит посредством управления выпрямителем, а инвертор отвечает лишь за преобразование частоты. Иногда на выходе инвертора устанавливается дополнительный фильтр для гашения токовых пульсаций (очень редко к этому прибегают при малых мощностях преобразователей). Так или иначе, на выходе получается трехфазное напряжение и переменный ток с заданными пользователем основными параметрами.