Частотні перетворювачі

Частотний перетворювач - види, принцип дії, схеми підключення

Ротор будь-якого електродвигуна приводиться в рух під дією сил, викликаних електромагнітним полем, що обертається всередині обмотки статора. Швидкість його оборотів зазвичай визначається промисловою частотою електричної мережі.

Її стандартна величина 50 герц передбачає вчинення п'ятдесяти періодів коливань протягом однієї секунди. За хвилину їх кількість збільшується в 60 разів і становить 50х60=3000 оборотів. Таке ж число разів провертається ротор під впливом прикладеного електромагнітного поля.

Якщо змінювати величину частоти мережі, прикладеної до статора, можна регулювати швидкість обертання ротора і підключеного до нього приводу. Цей принцип закладено основою управління електродвигунами.

Види частотних перетворювачів

За конструкцією частотні перетворювачі бувають:

1. індукційного типу;

2. електронні.

Асинхронні електродвигуни, виконані за схемою фазним ротором і запущені в режим генератора, є представниками першого виду. Вони при роботі мають низький ККД і відзначаються невеликою ефективністю. Тому вони не знайшли широкого застосування у виробництві та використовуються вкрай рідко.

Спосіб електронного перетворення частоти дозволяє плавно регулювати обороти як асинхронних, і синхронних машин. При цьому може бути реалізований один із двох принципів управління:

1. за заздалегідь заданою характеристикою залежності швидкості обертання від частоти (V/f);

2. Метод векторного управління.

Перший спосіб є найпростішим і менш досконалим, а другий використовується для точного регулювання швидкостей відповідального промислового обладнання.

Особливості векторного керування частотним перетворенням

Відмінністю цього способу є взаємодія, вплив пристрою управління перетворювача на просторовий вектор магнітного потоку, що обертається з частотою поля ротора.

Алгоритми для роботи перетворювачів за цим принципом створюються двома способами:

1. безсенсорного управління;

2. потокорегулювання.

Перший метод заснований на призначенні певної залежності чергування послідовностей широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) інвертора для попередньо підготовлених алгоритмів. При цьому амплітуда та частота напруги на виході перетворювача регулюються по ковзанню та навантажувальному струму, але без використання зворотних зв'язків за швидкістю обертання ротора.

Цим способом користуються при керуванні кількома електродвигунами, підключеними паралельно до перетворювача частоти. Потокорегулювання передбачає контроль робочих струмів усередині двигуна з розкладанням їх на активну та реактивну складові та внесення коректив у роботу перетворювача для виставлення амплітуди, частоти та кута для векторів вихідної напруги.

Це дозволяє підвищити точність роботи двигуна та збільшити межі його регулювання. Застосування потокорегулювання розширює можливості приводів, що працюють на малих обертах з великими динамічними навантаженнями, такими як кранові підйомні пристрої або намотувальні промислові верстати.

Використання векторної технології дозволяє застосовувати динамічне регулювання моментів, що обертаються, до трифазних асинхронних двигунів.

Схема заміщення

Принципову спрощену електричну схему асинхронного двигуна можна уявити наступним видом:

На обмотки статора, що мають активний R1 і індуктивний X1 опори, прикладена напруга u1. Воно, долаючи опір повітряного проміжку Хв, трансформується в обмотку ротора, викликаючи в ній струм, який долає її опір.

Векторна схема схеми заміщення

Її побудова допомагає зрозуміти процеси, що відбуваються всередині асинхронного двигуна:

Енергія струму статора поділяється на дві частини:

• iµ - потокоутворюючу частку;

• iw - моментоутворюючу складову.

При цьому ротор має активний опір R2/s, що залежить від ковзання.

Для безсенсорного керування вимірюються:

• напруга u1;

• струм i1.

За їх значенням розраховують:

• iµ - потокоутворюючу складову струму;

• iw - моментоутворюючу величину.

В алгоритм розрахунку вже заклали електронну еквівалентну схему асинхронного двигуна з регуляторами струму, в якій враховано умови насичення електромагнітного поля та втрат магнітної енергії у сталі.

Обидві цих складових векторів струму, що відрізняються по куту та амплітуді, обертаються разом із системою координат ротора і перераховуються в стаціонарну систему орієнтації по статору.

За цим принципом підлаштовуються параметри частотного перетворювача під навантаження асинхронного двигуна.

Принцип роботи частотного перетворювача

В основу цього пристрою, яке ще називають інвертором, закладено подвійну зміну форми сигналу мережі живлення.

Спочатку промислова напруга подається на силовий випрямний блок з потужними діодами, які забирають синусоїдальні гармоніки, але залишають пульсації сигналу. Для їх ліквідації передбачена батарея конденсаторів з індуктивністю (LC-фільтр), що забезпечує стабільну згладжену форму випрямленої напруги.

Потім сигнал надходить на вхід перетворювача частоти, який є бруківкою трифазну схему з шести силових транзисторів серії IGBT або MOSFET з діодами захисту від пробою напруг зворотної полярності. Використовувані раніше для цих цілей тиристори не мають достатньої швидкодії та працюють з великими перешкодами.

Для включення режиму гальмування двигуна в схему може бути встановлений керований транзистор з потужним резистором, що розсіює енергію. Такий прийом дозволяє прибирати генерується двигуном напруга для захисту конденсаторів фільтра від перезарядки та виходу з ладу.

Спосіб векторного управління частотою перетворювача дозволяє створювати схеми, що здійснюють автоматичне регулювання сигналу САР. Для цього використовується система керування:

1. амплітудна;

2. ШІМ (широтного імпульсного моделювання).

Метод амплітудного регулювання заснований на зміні вхідної напруги, а ШІМ - алгоритм перемикання силових транзисторів при незмінному напрузі входу.

При ШИМ регулюванні створюється період модуляції сигналу, коли обмотка статора підключається по строгій черговості до позитивних та негативних висновків випрямляча.

Оскільки частота такту генератора досить висока, то в обмотці електродвигуна, що має індуктивний опір, відбувається їх згладжування до синусоїди нормального вигляду.

Способи ШІМ управління дозволяють максимально виключити втрати енергії та забезпечують високий ККД перетворення за рахунок одночасного управління частотою та амплітудою. Вони стали доступні завдяки розвитку технологій управління силовими тиристорами серії GTO, що замикаються, або біполярних марок транзисторів IGBT, що володіють ізольованим затвором.

Принципи їх включення для керування трифазним двигуном показані на зображенні.

Кожен із шести IGBT-транзисторів підключається за зустрічно-паралельною схемою до свого діода зворотного струму. При цьому через силовий ланцюг кожного транзистора проходить активний струм асинхронного двигуна, яке реактивна складова направляється через діоди.

Для ліквідації впливу зовнішніх електричних перешкод на роботу інвертора та двигуна в конструкцію схеми перетворювача частоти може включатися перешкодозахисний фільтр, що ліквідує:

радіоперешкоди;

електричні розряди, що наводяться працюючим обладнанням.

Їх виникнення сигналізує контролер, а зменшення впливу використовується екранована проводка між двигуном і вихідними клемами інвертора.

З метою покращення точності роботи асинхронних двигунів у схему управління частотних перетворювачів включають:

введення зв'язку з розширеними можливостями інтерфейсу;

вбудований контролер;

картку пам'яті;

програмне забезпечення;

інформаційний Led-дисплей, що відображає основні вихідні параметри;

гальмівний переривник та вбудований ЕМС фільтр;

систему охолодження схеми, що базується на обдуві вентиляторами підвищеного ресурсу;

функцію прогріву двигуна за допомогою постійного струму та деякі інші можливості.

Експлуатаційні схеми підключення

Частотні перетворювачі створюються для роботи з однофазними або трифазними мережами. Однак, якщо є промислові джерела постійного струму з напругою 220 вольт, то від них можна запитувати інвертори.

Трифазні моделі розраховуються на напругу 380 вольт і видають його на електродвигун. Однофазні інвертори живляться від 220 вольт і на виході видають три рознесених за часом фази.

Схема підключення частотного перетворювача до двигуна може бути виконана за схемами:

• зірки;

• трикутник.

Обмотки двигуна збираються у «зірку» для перетворювача, запитаного від трифазної мережі 380 вольт.

За схемою «трикутник» збирають обмотки двигуна, коли живильний його перетворювач підключений до однофазної мережі 220 вольт. Вибираючи спосіб підключення електричного двигуна до перетворювача частоти треба звертати увагу на співвідношення потужностей, які може створити двигун на всіх режимах, включаючи повільний, навантажений запуск, з можливостями інвертора.

Не можна постійно перевантажувати частотний перетворювач, а невеликий запас його вихідної потужності забезпечить тривалу і безаварійну роботу.

Матеріал з сайту - https://electricalschool.info/