Принцип роботи частотного перетворювача

Частотний перетворювач в комплекті з асинхронним електродвигуном дозволяє замінити електропривод постійного струму. Системи регулювання швидкості двигуна постійного струму досить прості, але слабким місцем такого електроприводу є електродвигун. Він доріг і ненадійний. При роботі відбувається іскріння щіток, під впливом електроерозії зношується колектор. Такий електродвигун не може використовуватися в запиленій і вибухонебезпечному середовищі.

Асинхронні електродвигуни перевершують двигуни постійного струму за багатьма параметрами: вони прості по пристрою і надійні, тому що не мають рухомих контактів. Вони мають менші в порівнянні з двигунами постійного струму розміри, масу і вартість при тій же потужності. Асинхронні двигуни прості у виготовленні і експлуатації.

Основний недолік асинхронних електродвигунів - складність регулювання їх швидкості традиційними методами (зміною напруги живлення, введенням додаткових опорів в ланцюг обмоток).

Управління асинхронним електродвигуном в частотному режимі до недавнього часу було великою проблемою, хоча теорія частотного регулювання була розроблена ще в тридцятих роках. Розвиток частотно-регульованого електроприводу стримувалося високою вартістю перетворювачів частоти. Поява силових схем з IGBT-транзисторами, розробка високопродуктивних мікропроцесорних систем управління дозволило різним фірмам Європи, США і Японії створити сучасні перетворювачі частоти доступною вартості.

Відомо, що регулювання частоти обертання виконавчих механізмів можна здійснювати за допомогою різних пристроїв: механічних варіаторів, гідравлічних муфт, додатково вводяться в статор або ротор резисторами, електромеханічними перетворювачами частоти, статичними частоти.

Застосування перших чотирьох пристроїв не забезпечує високої якості регулювання швидкості, неекономічно, вимагає великих витрат при монтажі та експлуатації.
Статичні перетворювачі частоти є найбільш досконалими пристроями управління асинхронним приводом в даний час.

Принцип частотного методу регулювання швидкості асинхронного двигуна полягає в тому, що, змінюючи частоту f1 напруги живлення, можна відповідно до вираження

незмінному числі пар полюсів p змінювати кутову швидкість магнітного поля статора.

Цей спосіб забезпечує плавне регулювання швидкості в широкому діапазоні, а механічні характеристики мають високу жорсткість.

Регулювання швидкості при цьому не супроводжується збільшенням ковзання асинхронного двигуна, тому втрати потужності при регулюванні невеликі.

Для отримання високих енергетичних показників асинхронного двигуна - коефіцієнтівпотужності, корисної дії, перевантажувальної здатності - необхідно одночасно з частотою змінювати і напругу, що підводиться.

Закон зміни напруги залежить від характеру моменту навантаження Mс. При постійному моменті навантаження Mс = const напруга на статорі повинно регулюватися пропорційно частоті:

Для вентиляторного характеру моменту навантаження це стан має вигляд:

При моменті навантаження, назад пропорційному швидкості:

Таким чином, для плавного безступінчатого регулювання частоти обертання валу асинхронного електродвигуна, перетворювач частоти повинен забезпечувати одночасне регулювання частоти і напруги на статорі асинхронного двигуна.

Переваги використання регульованого електроприводу в технологічних процесах

Застосування регульованого електроприводу забезпечує енергозбереження та дозволяє отримувати нові якості систем і об'єктів. Значна економія електроенергії забезпечується за рахунок регулювання будь-якого технологічного параметра. Якщо це транспортер або конвеєр, то можна регулювати швидкість його руху. Якщо це насос або вентилятор - можна підтримувати тиск або регулювати продуктивність. Якщо це верстат, то можна плавно регулювати швидкість подачі або головного руху.

Особливий економічний ефект від використання перетворювачів частоти дає застосування частотного регулювання на об'єктах, що забезпечують транспортування рідин. До сих пір найпоширенішим способом регулювання продуктивності таких об'єктів є використання засувок або регулюючих клапанів, але сьогодні доступним стає частотне регулювання асинхронного двигуна, який приводить в рух, наприклад, робоче колесо насосного агрегату або вентилятора.

Перспективність частотного регулювання наочно видно з малюнка 1

Таким чином, при дроселюванні потік речовини, стримуваний засувкою або клапаном, не робить корисної роботи. Застосування регульованого електроприводу насоса або вентилятора дозволяє задати необхідний тиск або витрата, що забезпечить не тільки економію електроенергії, але і знизить втрати речовини, що транспортується.

Структура частотного перетворювача

Більшість сучасних перетворювачів частоти побудовано за схемою подвійного перетворення. Вони складаються з наступних основних частин: ланки постійного струму (некерованого випрямляча), силового імпульсного інвертора і системи управління.

Ланка постійного струму складається з некерованого випрямляча і фільтра. Змінна напруга мережі живлення перетвориться в ньому в напругу постійного струму.

Силовий трифазний імпульсний інвертор складається з шести транзисторних ключів. Кожна обмотка електродвигуна підключається через відповідний ключ до позитивного і негативного висновків випрямляча. Інвертор здійснює перетворення випрямленої напруги в трифазне змінну напругу потрібної частоти і амплітуди, яке прикладається до обмоток статора електродвигуна.

У вихідних каскадах інвертора в якості ключів використовуються силові IGBT-транзистори. У порівнянні з тиристорами вони мають більш високу частоту перемикання, що дозволяє виробляти вихідний сигнал синусоїдальної форми з мінімальними спотвореннями.

Принцип роботи перетворювача частоти

Перетворювач частоти складається з некерованого діодного силового випрямляча В, автономного інвертора. системи управління ШІМ, системи автоматичного регулювання, дроселя L в і конденсатора фільтра Cв (рис.2). Регулювання вихідної частоти fвих. і напруги U вих здійснюється в инверторе за рахунок високочастотного широтно-імпульсного управління.

Широтно-імпульсна управління характеризується періодом модуляції, всередині якого обмотка статора електродвигуна підключається по черзі до позитивного і негативного полюсів випрямляча.

Тривалість цих станів всередині періоду ШІМ модулюється за синусоїдальним законом. При високих (зазвичай 2 ... 15 кГц) тактових частотах ШІМ, в обмотках електродвигуна, внаслідок їх фільтруючих властивостей, течуть синусоїдальні струми.

Регулювання швидкості при цьому не супроводжується збільшенням ковзання асинхронного двигуна, тому втрати потужності при регулюванні невеликі. Для отримання високих енергетичних показників асинхронного двигуна - коефіцієнтівпотужності, корисної дії, перевантажувальної здатності - необхідно одночасно з частотою змінювати і напругу, що підводиться.

Структура частотного перетворювача

Більшість сучасних перетворювачів частоти побудовано за схемою подвійного перетворення. Вхідний синусоїдальна напруга з постійною амплітудою і частотою випрямляється в ланці постійного струму B, згладжується фільтром складається з дроселя L в і конденсатора фільтра Cв, а потім знову перетвориться інвертором АІН в змінну напругу змінюваної частоти і амплітуди. Регулювання вихідної частоти fвих. і напруги U вих здійснюється в инверторе за рахунок високочастотного широтно-імпульсного управління. Широтно-імпульсна управління характеризується періодом модуляції, всередині якого обмотка статора електродвигуна підключається по черзі до позитивного і негативного полюсів випрямляча.

Тривалість підключення кожної обмотки в межах періоду проходження імпульсів модулюється за синусоїдальним законом. Найбільша ширина імпульсів забезпечується в середині півперіоду, а до початку і кінця напівперіоду зменшується. Таким чином, система управління СУИ забезпечує широтно-імпульсну модуляцію (ШІМ) напруги, що прикладається до обмоток двігателя.Амплітуда і частота напряженіяопределяются параметрами модулирующей синусоїдальної функції. Таким чином, на виході перетворювача частоти формується трифазна змінну напругу змінюваної частоти і амплітуди.