Avto-profi-evakuator.ru

Авто Профи
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое частотный преобразователь, как он работает и для чего нужен

Что такое частотный преобразователь, как он работает и для чего нужен

Асинхронный электродвигатель

По определению частотный преобразователь – это электронный силовой преобразователь для изменения частоты переменного тока. Но в зависимости от исполнения изменяется и уровень напряжения, и число фаз. Может быть вам не совсем понятно, для чего нужен такой прибор, но мы постараемся рассказать о нём простыми словами.

Частота вращения вала синхронных и асинхронных двигателей (АД) зависит от частоты вращения магнитного потока статора и определяется по формуле:

где n – число оборотов вала АД, p – число пар полюсов, s – скольжение, f – частота переменного тока (для РФ – 50 Гц).

Простым языком, частота вращения ротора зависит от частоты и числа пар полюсов. Число пар полюсов определяется конструкцией катушек статора, а частота тока в сети постоянна. Поэтому, чтобы регулировать обороты мы можем регулировать только частоту с помощью преобразователей.

Как я сам изготовил частотный преобразователь

Я изготовил преобразователь частоты и асинхронный привод для моего товарища. Ему нужен был привод для пилорамы, мощный и хороший. Так как я любил заниматься электроникой, то сразу предложил ему такую схему:

Самодельный частотник

Трехфазный мост на транзисторах с диодами обратной связи я использовал, которые имелись. Управление осуществил через оптодрайвер HCPL 3120 микроконтроллером PIC16F628A. У входа припаял гасящую емкость, чтобы электролиты заряжались плавно. Затем припаял шунтовое реле. Еще установил триггер защиты тока от замыкания и перегрузки. Для управления установил две кнопки и выключатель для обратного вращения.

Силовую часть я собрал на навесном монтаже.

Резисторы, соединил параллельно по 270 кОм с помощью затворных проходных конденсаторов, позади платы их напаял. Моя плата показана на внешнем виде:

Самодельный частотник

Вид этой моей платы с другой стороны:

Самодельный частотник

Для подключения питающего напряжения я собрал блок питания, работающий на импульсах, обратноходовой. Вот привожу схему этого блока питания:

Самодельный частотник

Как я запрограммировал микроконтроллер? Простые моргалки для меня не представляли какой-то проблемы. Получились константы в виде матрицы, над которой работал мой контроллер. Частота и напряжение были заданы этими величинами. Всю схему работы проверил на моторчике вентилятора небольшой мощности, 200 Вт. Эта моя конструкция выглядела так:

Самодельный частотник

Начальные эксперименты дали хороший результат. Затем доработал программу. Раскрутил двигатель на 4 кВт, и пошел собирать управление пилорамой.

При монтаже у нас с товарищем случайно произошло замыкание и сработала защита, проверили ее работу. Мотор на 2 кВт 1500 оборотов с легкостью пилил доски. Сейчас программа еще дорабатывается для раскрутки двигателя выше номинала. Характеристики: частота от 2 до 50 герц с шагом 1,5 герц, синхронная частота, постоянно меняется, разбег от 1500 до 3500 герц, управление скалярного типа U/F, мощность мотора до 5 кВт.

Удерживаем кнопку RUN и разгоняем двигатель. Отпускаем, частота держится на уровне. Когда загорается светодиод, то привод готов к запуску.

Так же покупают:

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СТАТИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ПРЕДНАЗНАЧЕН ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ С ПОДДЕРЖАНИЕМ ПОСТОЯНСТВА МОМЕНТА НАГРУЗКИ НА ВАЛУ ПОЗВОЛЯЕТ КОНТРОЛИРОВАТЬ И УПРАВЛЯТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ НАПР

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ СЕР ПРЕДНАЗНАЧЕНЫ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПРИВОДОВ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ ПОСРЕДСТВОМ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПО УРОВНЮ И ЧАСТОТЕ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ВСЕГО ШТ

МОДУЛЬИНВЕРТОР Х ФАЗНЫЙ ИНВЕРТОРПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ МОЩНОСТЬЮ КВА В ТИП ПРЕДНАЗНАЧЕН ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ УПАКОВОЧНОЙ МАШИНЫ УСТАНАВЛИВАЕТСЯ В ШКАФУ С ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕМ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ОДНОФАЗНЫЙ МОЩНОСТЬЮ КВТ НАПРЯЖЕНИЕ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА В СИЛА ТОКА А ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТОМ

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ГЕНЕРАТОР УЗГК МС ПРЕДСТАВЛЯЮЩИЙ СОБОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ И ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЙ ДЛЯ ПИТАНИЯ МАГНИТОСТРИКЦИОННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ТЕХНХАРАКТ ЕРИ

БЛОК ПИТАНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СТАТИЧЕСКИЙ ЧН БУ ГВ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА НАПРЯЖЕНИЕМ В В ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК НАПРЯЖЕНИЕМ ВМОЩНОСТЬЮ КВАРАБОЧАЯ ЧАСТОТА ГЦНЕЛИНЕЙНОЕ СУММАРНОЕ ИСКАЖЕНИЕ РЕГУЛИРОВКА ЧАСТОТ Ы Л

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СТАТИСТИЧЕСКИЙИНВЕРТОРЧН ГВ БУДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА В В НАПРЯЖЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В МОЩНОСТЬЮ КВАЧАСТОТОЙ ГЦСУММАРНЫМ НЕЛИНЕЙНЫМ ИСКАЖЕНИЕМ РЕГУЛИРОВКОЙ ЧАСТОТЫ С ТОЧН ОСТ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СТАТИСТИЧЕСКИЙ ИНВЕРТОРЧН БУ ГВ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА В В НАПРЯЖЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В МОЩНОСТЬЮ КВАЧАСТОТОЙ ГЦСУММАРНЫМ НЕЛИНЕЙНЫМ ИСКАЖЕНИЕМ РЕГУЛИРОВКОЙ ЧАСТОТЫ С Т ОЧНО

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ БЛОК БУ ЗАЖИГАНИЯ ПРЕОБРАЗУЮЩИЙ НАПРЯЖЕНИЕ В ЧАСТОТОЙ ГЦ В НАПРЯЖЕНИЕ КВ ДЛЯ ПОДАЧИ В СИСТЕМУ ЗАЖИГАНИЯ ВСУ ПАССАЖИРСКОГО САМОЛЕТА ГА БОИНГ СОСТОИТ ИЗ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ КАТУШКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ РЕЗОНАТОРА ВЫПРЯМИТЕЛЯ И

КРЕМНИЕВЫЙ ДИОД ТУ ТЕМПЕРАТУРА ЭКСПЛУАТАЦИИ ГРАДС ПРИМЕНЯЮТСЯ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИА ТАКЖЕ В СИЛОВЫХ ЦЕПЯХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ НЕ СОДЕРЖАТ К

СТАТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ВС БОИНГ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ МАРКИРОВКА СНЯТ С ВС ВЫРАБАТЫВАЕМОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ В ФАЗА НАПРЯЖЕНИЕ ПИТАНИЯ ПЕРЕМЕННЫМ ТОКОМ В ФАЗА ФАЗЫ ЧАСТОТА ТО

Читайте так же:
Регулировка ручного тормоза чери тигго т11

ИНВЕРТОР ЧН ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СТАТИЧЕСКИЙБУДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА НАПРЯЖЕНИЕМ В В ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК НАПРЯЖЕНИЕМ В МОЩНОСТЬЮ КВАЧАСТОТОЙ ГЦСУММАРНОЕ НЕЛИНЕЙНОЕ ИСКАЖЕНИЕ ДЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ГРАЖДАНСКОГ О

КРЕМНИЕВЫЙ МОДУЛЬ ДИОДНЫЙ ТУ ТЕМПЕРАТУРА ЭКСПЛУАТАЦИИ ГРАД С ПРИМЕНЯЮТСЯ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ А ТАКЖЕ В СИЛОВЫХ ЦЕПЯХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ

ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ СТРОБОСКОПИЧЕКСИХ ОГНЕЙ БУ ПАССАЖИРВС ГА БОИНГ СТАТИЧПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПРЕОБРАЗУЮЩИЙ С ЧАСТОТОЙ РАЗМИН НАПРЯЖЕНИЕ В ГЦ В ВЫСОКОВОЛЬТЭЛЕКТРИЧИМПУЛЬСЫ НАПРЯЖЕНИЕМ В РАСПОЛАГАЕТСЯ В ОТЪЕМНОЙ ЧАСТИ КРЫЛА Ч Н

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СТАТИСТИЧЕСКИЙИНВЕРТОРЧН ГВ БУДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА В В НАПРЯЖЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В МНОГОФАЗНЫМ ВЫХОДОМ МОЩНОСТЬЮ ВТЧАСТОТОЙ ГЦСУММАРНЫМ НЕЛИНЕЙНЫМ ИСКАЖЕНИЕМ РЕГУ ЛИРО

ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ БУ ДЛЯ СТРОБОСКОПИЧЕСКИХ ОГНЕЙ САМОЛЕТА ГА БОИНГ СТАТИСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПРЕОБРАЗУЮЩИЙ С ЧАСТОТОЙ РАЗМИН НАПРЯЖЕНИЕ В ГЦ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИМПУЛЬСЫ НАПРЯЖЕНИМ В РАСПОЛОГАЕТСЯ В ОТЬЕМНОЙ

ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ БУ ДЛЯ СТРОБОСКОПИЧЕСКИХ ОГНЕЙ ГРАЖДАНСКОГО ПАССАЖИРСКОГО САМОЛЕТА БОИНГ СТАТИСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПРЕОБРАЗУЮЩИЙ С ЧАСТОТОЙ РАЗМИН НАПРЯЖЕНИЕ В ГЦ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИМПУЛЬСЫ НАПРЯЖЕНИМ В

ИНВЕРТОР ЧН ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СТАТИЧЕСКИЙ БУДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА НАПРЯЖЕНИЕМ В В ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК НАПРЯЖЕНИЕМ В МОЩНОСТЬЮ КВАЧАСТОТОЙ ГЦСУММАРНОЕ НЕЛИНЕЙНОЕ ИСКАЖЕНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ САМОЛЕТАБУ СНЯТ

ФИЛЬТР КОНТРОЛЯ ВИБРАЦИИ ДВИГАТЕЛЯБУ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СИГНАЛОВ ЧАСТОТЫ ПОЛУЧАЕМЫХ С ДАТЧИКОВ ВИБРАЦИИ ДВИГАТЕЛЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ И ПЕРЕДАЧЕЙ ИНФОРМАЦИИ НА ИНДЕКАТОР ВИБРАЦИИ ДВИГАТЕЛЯУСТАНОВЛЕННЫЙ НА САМОЛЕТ ГА БОИНГ

Конструкция

Частотные преобразователи состоят из:

  • выпрямителя — мост постоянного тока, предназначенный для преобразования переменного тока промышленной частоты в постоянный;
  • инвертора — преобразователь постоянного тока в переменный с необходимой частотой и амплитудой;
  • входных тиристоров (GTO) или транзисторов (IGBT) — питающие устройства, обеспечивающие необходимый для работы электродвигателя ток.

Чтобы улучшить форму выходного напряжения, между инвертором и мотором иногда монтируют дроссель. Уменьшить электромагнитные помехи помогает EMC-фильтр.

Частотные преобразователи. Работа и устройство. Типы и применение

Ротор электродвигателя начинает свое вращение с помощью электромагнитных сил от вращающегося магнитного поля, вызванного обмоткой якоря. Число оборотов определяется частотой тока в сети. Стандартное значение частоты тока составляет 50 герц. Это означает, что 50 периодов колебаний совершается за 1 секунду. В минуту число колебаний составит 50 х 60 = 3000. Значит, ротор будет вращаться 3000 оборотов в минуту.

Если научиться изменять частоту тока, то появится возможность регулировки скорости двигателя. Именно по этому принципу действуют частотные преобразователи.

Современное исполнение преобразователей частоты выглядит в виде высокотехнологичного устройства, состоящего из полупроводниковых приборов, совместно с микроконтроллером электронной системы. С помощью этой системы управления изменяются важные параметры электродвигателя, например, число оборотов.

Изменить скорость привода можно и с помощью механического редуктора шестеренчатого типа, либо на основе вариатора. Но такие механизмы имеют громоздкую конструкцию, их нужно обслуживать. С использованием частотника (инвертора) снижается расход на техническое обслуживание, повышается функциональность привода механизма.

По конструктивным особенностям частотные преобразователи делятся:

  • Индукционные.
  • Электронные.

Электродвигатели асинхронного типа с фазным ротором, подключенные в режим генератора, представляют подобие индукционного частотного преобразователя. Они имеют малые КПД и эффективность. В связи с этим такие виды преобразователей не нашли популярности в использовании.

Электронные виды частотников дают возможность плавного изменения оборотов электродвигателей.

При этом реализуются два возможных принципа управления:

  1. По определенной зависимости скорости от частоты тока.
  2. По способу векторного управления.

Первый принцип самый простой, но не совершенный. Второй принцип применяется для точного изменения оборотов двигателя.

Конструктивные особенности

Chastotnye preobrazovateli skhema 1

Рис. 1

Частотные преобразователи имеют в составе основные модули:
  • Выпрямитель.
  • Фильтр напряжения.
  • Инверторный узел.
  • Микропроцессорная система.

Все модули связаны между собой. Действие выходного каскада (инвертора) контролирует блок управления, с помощью которого меняются свойства переменного тока. Частотный преобразователь для электромотора имеет свои особенности. В его состав входит несколько защит, управление которыми осуществляется микроконтроллером. Например, проверяется температура полупроводников, работает защита от превышения тока и короткого замыкания. Частотник подключается к сети питания через устройства защиты. Для запуска электродвигателя не нужен магнитный пускатель.

Выпрямитель

Это первый модуль, по которому проходит ток. Он преобразует переменный ток в постоянный, благодаря полупроводниковым диодам. Особенностью частотника является возможность его питания от однофазной сети. Разница в конструкции состоит в разных типах выпрямителей.

Если мы говорим про однофазный частотник для двигателя, то нужно использовать в выпрямителе четыре диода по мостовой схеме. При трехфазном питании выбирается схема из шести диодов. В итоге получается выпрямление переменного тока, появляется два полюса: плюс и минус.

Фильтр напряжения

Из выпрямителя выходит постоянное напряжение, которое имеет значительные пульсации, заимствованные от переменного тока. Для их сглаживания используют такие элементы, как электролитический конденсатор и катушка индуктивности.

Читайте так же:
Irbis ttr 250 карбюратор регулировка

Катушка имеет много витков, и обладает реактивным сопротивлением. Это дает возможность сглаживать импульсы тока. Конденсатор, подключенный к двум полюсам, имеет интересные характеристики. При прохождении постоянного тока он в силу закона Киргофа должен быть заменен обрывом, как будто между полюсами ничего нет. При прохождении переменного тока он должен быть проводником, то есть, не иметь сопротивления. В результате доля переменного тока замыкается и исчезает.

Инверторный модуль

Это узел, имеющий наибольшую важность в преобразователе частоты. Он изменяет параметры тока выхода, состоит из шести транзисторов. Для каждой фазы подключены по два транзистора. В каскаде инвертора применяются современные транзисторы IGBT.

Если изготавливать частотные преобразователи своими руками, то необходимо выбирать элементы конструкции, исходя из мощности потребления. Поэтому нужно сразу определить тип электродвигателя, который будет питаться от частотника.

Микропроцессорная система

В самодельной конструкции не получится добиться таких параметров, имеющихся у заводских моделей, так как в домашних условиях сделать управляющий модуль сложно. Дело не в пайке деталей, а в создании программы для микроконтроллера. Простой способ – это сделать управляющий блок, которым можно регулировать обороты двигателя, осуществлять реверс, защищать двигатель от перегрева и перегрузки по току.

Чтобы изменить обороты мотора, нужно применить переменное сопротивление, подключенное к вводу микроконтроллера. Это устройство подает сигнал на микросхему, которая производит анализ изменения напряжения и сравнивает его с эталоном (5 вольт). Система действует по алгоритму, который создается до начала создания программы. По нему действует микропроцессорная система.

Приобрели большую популярность управляющие модули Siemens. Частотные преобразователи этой фирмы надежны, могут применяться для любых электродвигателей.

Принцип действия

Основа работы инвертора состоит в двойном изменении формы электрического тока.

Skhema chastotnika

Напряжение подается на блок выпрямления с мощными диодами. Они удаляют гармонические колебания, однако оставляют импульсы сигнала. Чтобы их удалить, подключен конденсатор с катушкой индуктивности, образующие фильтр, который стабилизирует форму напряжения.

Далее, сигнал идет на частотный преобразователь. Он состоит из шести мощных транзисторов с диодами, защищающими от пробоя напряжения. Ранее для таких целей применялись тиристоры, но они не обладали таким быстродействием, и создавали помехи.

Чтобы подключить режим замедления мотора, в схему устанавливают транзистор управления с резистором, который рассеивает энергию. Такой способ дает возможность удалять образуемое двигателем напряжение, чтобы защитить емкости фильтра от выхода из строя вследствие перезарядки.

Метод управления векторного типа частотой инвертора дает возможность создания схемы, которая автоматически регулирует сигнал. Для этого применяется управляющая система:
  • Амплитудная.
  • Широтно-импульсная.

Амплитудная регулировка работает на изменении напряжения входа, а ШИМ – порядка действия переключений транзисторов при постоянном напряжении на входе.

При регулировании ШИМ образуется период модуляции, когда обмотка якоря подключается по очереди к выводам выпрямителя. Так как тактовая частота генератора высокая и находится в интервале 2-15 килогерц, то в обмотке мотора, имеющего индуктивность, осуществляется сглаживание напряжения до нормальной синусоиды.

Принцип подключения ключей на транзисторах

Каждый из транзисторов включается по встречно-параллельной схеме к диоду (Рис. 1). Через цепь транзистора протекает активный ток электродвигателя, реактивная часть поступает на диоды.

Чтобы исключить влияние помех на действие инвертора и электродвигателя, в схему подключают фильтр, который удаляет:
  • Радиопомехи.
  • Помехи от электрооборудования.

Об их образовании дает сигнал контроллер, чтобы снизить помехи, применяются экранированные провода от двигателя до выхода инвертора.

Чтобы оптимизировать точность функционирования асинхронных двигателей, в цепь управления инверторов подключают:
  • Ввод связи.
  • Контроллер.
  • Карта памяти.
  • Программа.
  • Дисплей.
  • Тормозной прерыватель с фильтром.
  • Охлаждение схемы вентилятором.
  • Прогрев двигателя.
Схемы подключения

Частотные преобразователи служат для работы в 1-фазных и 3-фазных сетях. Но если имеются промышленные источники питания на 220 вольт постоянного тока, то инверторы также можно подключать к ним.

Частотные преобразователи для 3-фазной сети рассчитаны на 380 вольт, их подают на мотор. 1-фазные частотники работают от сети 220 вольт, выдают на выходе 3 фазы. Частотник может подключаться к электродвигателю по схеме звезды или треугольника.

Обмотки мотора соединяются в «звезду» для частотника, работающего от трех фаз 380 вольт.

Chastotnye preobrazovateli skhema zvezda

Обмотки двигателя соединяют «треугольником», когда инвертор запитан от 1-фазной сети.

Chastotnye preobrazovateli skhema treugolnik

При выборе метода подключения электродвигателя к частотнику необходимо определить мощности, которые создает двигатель на разных режимах, в том числе и медленный режим, тяжелый запуск. Преобразователь частоты нельзя эксплуатировать с перегрузкой длительное время. Его мощность должна быть с запасом, тогда работа будет без аварий, и срок службы продлится.

Частотные преобразователи

Преобразователь частоты ATV212 5.5КВТ 480В IP21 ATV212HU55N4

Электронное устройство, регулирующее скорость вращения электрического привода путем изменения частоты подаваемого переменного тока и напряжения, называется частотным преобразователем, частотником или преобразователем частоты. Аппараты различаются по конструкции, способу коммутации, применяемому для управления синхронным или асинхронным электродвигателем, по мощности (нагрузочной способности) и другим параметрам.

Читайте так же:
Стенды для регулировки топливных аппаратов

Принцип работы

Частотный преобразователь работает по типу двойного преобразователя. Сначала напряжение сети выпрямляется в трех- или однофазном выпрямителе диодами и/или тиристорами, фильтруется конденсаторами (LC — фильтром), а потом электроника образует ток заданной частоты и амплитуды.

Управление бывает векторным или скалярным. Первое обеспечивает точную регулировку, а второе поддерживает запрограммированное соотношение частоты и напряжения на выходе и используется для простейших приборов наподобие вентилятора. Чем выше показатель мощности, тем универсальнее будет само устройство.

Понижение напряжения в сети не так опасно для прибора, как повышение, которое может вызвать повреждение или даже взрыв сетевых конденсаторов. Частота должна быть отрегулирована в соответствии с параметрами оборудования. В быту чаще всего используются частоты от 10 до 60 Гц, реже до 100 Гц. Управление частотником осуществляется через различные входы и выходы, чем их больше, тем лучше, хотя с увеличением количества разъёмов повышается сложность и стоимость устройства.

С середины прошлого века преобразователи претерпели множество изменений благодаря развитию микропроцессоров, современных технологий по созданию полупроводников, но основные принципы работы и схем инверторов остаются теми же самыми.

Основные элементы


  • Выпрямительный мост. Это сборка полупроводников, которые меняют переменный ток материнской сети на постоянный. В зависимости от мощности прибора выпрямитель бывает управляемым, неуправляемым или полууправляемым. Главные элементы первого вида — тиристоры, второго — диоды, а третьего — и те, и другие.

  • Дроссель переменного тока, называемый входным реактором. Он фильтрует частотные помехи, поступающие со стороны сети или сгенерированные самим двигателем. Обычно для подавления высокочастотных помех используется LC — фильтр (индуктивно — емкостной) или RFI — фильтр (является стандартным или приобр отдельно в зависимости от производителя).
  • Звено постоянного тока включает в себя неуправляемый выпрямитель и несколько конденсаторов, вместе с дросселем исполняющих роль LC — фильтра. Частотник с промежуточным звеном даёт возможность регулировать частоту как выше, так ниже исходной; он отличается высокой производительностью, хорошим быстродействием, небольшими размерами, довольно высокой надежностью и не создаёт шума при работе.
  • Инвертор генерирует частоту напряжения двигателя.
  • Блок обработки. Это электронная схема, содержащая программы, которые контролируют работу микропроцессора, корректирующего частоту вращения электрического двигателя. Датчики получают сигналы от выпрямителя, промежуточной цепи, инвертора или пульта и передают их в блок управления для обработки. Части устройства, которые находятся под контролем, зависят от конструкции каждого конкретного преобразователя частоты.
  • Панель управления. С помощью расположенной на ней клавиатуры происходит обмен информацией и командами между пользователем и блоком управления частотника.

Типы преобразователей по принципу управления: скалярные и векторные.


  • Первый тип управления — скалярный — создается на изменении амплитуды и частоты поступающего напряжения по закону U/f. Это самый распространённый и лёгкий метод, использующийся в приводах вентиляторов и насосов, то есть , где необходимо поддерживать какой-то один технологический параметр. Но он не позволяет точно регулировать скорость вращения вала.
  • Второй способ — векторный — позволяет управлять магнитным потоком как статора, так и ротора, и числом оборотов на валу двигателя. Метод применяется там, где нагрузка изменяется в процессе эксплуатации на одной и той же частоте.

Применение

Частотные преобразователи, сводящие к минимуму потребление энергии и простои оборудования, используют в тех процессах, при которых техника работает в условиях меняющихся нагрузок, чередования пусков, остановок электродвигателей: в аэрокосмической, химической, нефтегазовой промышленности, машиностроении (в основном на конвейерах и обрабатывающих станках), электроэнергетическом комплексе, в жилищно — коммунальном хозяйстве — в общем, практически везде, где используются электродвигатели бытового, промышленного или военного назначения.

Что такое и для чего нужен преобразователь частоты

Более 50% электроэнергии в промышленном секторе используется для привода электродвигателей через частотные преобразователи. В перспективе оснастить каждый промышленный электродвигатель частотным преобразователем. Эти приборы позволяют экономить 20-70% электроэнергии. Принцип этой экономии очень простой: электродвигатель работают не под постоянной нагрузкой. В случае если нагрузка ослабевает, потребление тока не уменьшается. Таким образом, двигатель работает большую часть своего времени наполовину вхолостую, потребляя лишнюю энергию. Простой пример – мотор-редуктор крана, который имеет постоянную скорость вращения и мощность вне зависимости от того, какого веса груз с его помощью поднимают. Частотный преобразователь полностью решает эти проблемы. Такие излишки энергии суммируются, и за рабочую смену накапливается серьезная экономия.

На электродвигателях со строго постоянной нагрузкой применение частотных преобразователей бессмысленно. В промышленности это лишь небольшая часть электроустановок: насосы, вентиляторы, компрессоры. Для компрессоров с циклическим расходом воздуха частотный преобразователь уже выгоден и может дать значительную экономию энергии. Во всех остальных случаях ЧП очень выгоден. Примеры: упаковочное, сортировочное, обрабатывающее оборудование, металлорежущие станки.

Виды преобразователей частоты

Под преобразователем частоты понимается прибор, обеспечивающий изменение частоты переменного тока на выходе. При этом, на входе он может питаться как от постоянного, так и от переменного тока. Вариант подбирается под конкретную контактную сеть предприятия. Питание может быть батарейным, низковольтным, высоковольтным (например, однофазный ток 400 вольт). На выходе частотного преобразователя 3 или 1 фаза. Есть варианты и на большее число фаз. Наиболее применяема трехфазная схема, так как она при простом техническом устройстве дает отличный КПД. Каждая фаза подается со сдвигом на 120 градусов, что за все три фазы электродвигатель сделает полный оборот.

Известно большое множество конструкции частотного преобразователя, как практически применяемых, производимых серийно, так и чисто экспериментальных. Все их можно разделить только на две группы: механические и электронные. Также есть совмещенные варианты. Механические частотные преобразователи, это ничто не иное, как электродвигатель, объединенный с генератором, вырабатывающим ток нужной частоты. КПД такой схемы весьма низок, поэтому она имеет очень узкое практическое применение, например, в военной радиоаппаратуре, где для обеспечения радиационной устойчивости полупроводники использовать нельзя.

Электродвигатель объединенный с генератором

Электронные частотные преобразователи

Структурно, схема электронного частотного преобразователя включает в себя генератор переменной частоты и мощный усилитель низких частот на транзисторах. Входное напряжение сначала выпрямляется, затем подается на выходные каскады усилителя. Частота задается микроконтроллером, генератором синусоидального сигнала. Частотный преобразователь содержит схему инвертора «чистая синусоида», причем троекратно повторенную, отдельный усилитель для каждой фазы. Микроконтроллер генерирует одновременно три синусоидальных сигнала со сдвигом по фазе 120 градусов. Изменение частоты обеспечивается без изменения фаз, иначе вращение электродвигателя будет нарушенным, а КПД системы упадет.

Общая схема частотного преобразователя получается сложной, с чем и связана их высокая изначальная стоимость. Тем не менее, они все равно достаточно быстро окупаются, за счет значительной экономию энергии. По варианту питания возможны как низковольтные, так и высоковольтные варианты исполнения. Преимущества высоковольтного питания:

  • Меньше потери в выпрямителях, минимальное падение напряжения на диодах 0,5-1 вольт некритично для высокого напряжения.
  • Меньше сечение проводов, дорожек на печатной плате, меньше токи в электронной схеме.
  • Конструкция дешевле и компактнее.
  • Схема нечувствительна к помехам.

Недостатки высоковольтного питания

  • Меньшая надежность высоковольтных выходных транзисторов.
  • Высоковольтные конденсаторы имеют большие габариты, а при пробое взрываются.
  • Требуется защита дорожек печатной платы и паек специальным компаундом.

Основное большинство частотных преобразователей рассчитано на общепромышленные электродвигатели широкого применения на 380-400 вольт. Это обеспечивает их совместимость с имеющимся на предприятиях оборудованием. Модернизация проводится без замены двигателей и редукторов.

Тиристорные частотные преобразователи

Выходные каскады ЧП могут быть реализованы на биполярных транзисторах, IGBT и MOP-транзисторах, или же на тиристорах. Причем, тиристорная схема появилась раньше всего по причине технологической простоты их производства. Она имеет множество плюсов, главных из которых – низкая стоимость частотного преобразователя и низкая стоимость его ремонта при возможной замене высоковольтных тиристоров. Тиристорная схема подходит для встречно-параллельных, перекрестных и мостовых схем включения обмоток двигателя.

Тиристорная схема преобразователя частоты

Несмотря на ценовое преимущество, ЧП тиристорной схемы имеет множество недостатков, ограничивающих его применение

  • Неправильная форма напряжения на выходе. Тиристорная схема далека преобразователя «чистая синусоида». На выходе присутствуют гармоники, напряжения другой частоты, снижающие общую эффективность привода.
  • Генерация радиопомех. Тиристор создает гармоники в питающем напряжении. При плохо экранированной линии питания это вызывает мощные радиопомехи. Они мешают не только радиопередач в эфире, но и конкретным устройствам на предприятии, например, компьютерам
  • Тиристорный ЧП невозможно использовать для регулировки скорости вращения электродвигателя в сторону увеличения частоты напряжения питающей сети. С его помощью можно только снижать, а не увеличивать, мощность.

Лучший вариант применения тиристорного ЧП — регулировка частоты вращения для мощных промышленных электродвигателей. Если привод подобран с запасом мощности, то такой недостаток, как отсутствие возможности форсировки, несущественен. Особе внимание уделяется экранирования линий питания для предупреждения распространения электромагнитных помех.

Широтно-импульсная модуляция в частотных преобразователях

Функция Широтно-Импульсной Модуляции (ШИМ) позволяет экономить электроэнергию. При питании от сети переменного трехфазного тока или от ЧП с таким же трехфазным током на выходе любой необходимой частоты, возможно применять ШИМ. Суть этой передовой технологии состоит в создании импульсов тока, периодического включения и выключения без нарушения синусоидальной формы. Частота ШИМ в несколько раз и несколько десятков раз превышает частоту питания. Чем выше частота — тем меньше искажения синусоидального напряжения, но больше потери и радиопомехи.

Введение функции широтно-импульсной модуляции требует некоторых особенностей конструкции частотного преобразователя. Более 70% стоимости ЧП приходится на мощные выходные каскады. Важнейшей задачей является уменьшение сопротивления выходных транзисторов в открытом состоянии. Например, сопротивление перехода всего в 5 Ом при токе 10 А приведет к потерям 50 Вт мощности, которая уйдет на нагрев. Для мощного полупроводникового прибора 50-70 Вт рассеиваемой тепловой мощности являются пределом. Сейчас разработаны и внедрены в широкую практику транзисторы с сопротивлением перехода менее одного Ома. Именно они используются в частотных преобразователях. В контроллере функция ШИМ добавляется легко и не требует значительного удорожания компонентов ЧП. Схема с ШИМ особенно эффективна при использовании в приводах с динамично изменяющейся нагрузкой.

Регулировать мощность электродвигателя можно и куда более простыми методами, чем широтно-импульсная модуляция, однако у нее есть весомые преимущества. Например, регулировать мощность снижением напряжения намного сложнее. Устройство, позволяющее плавно снижать напряжение без потерь очень сложно реализовать. Это будет автотрансформаторная схема, и стоимость такого регулятора превысит цену электродвигателя. Контроллеры ШИМ используются и в других сферах: освещение, импульсные блоки питания.

Преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока

Так называют электронные частотные преобразователи, в которых питающее напряжение сначала выпрямляется, а затем опять преобразуется в переменное любой необходимой частоты. Также такую схему называют преобразователями с двойным преобразованием частоты или просто «электронный частотный преобразователь». Частотники по такой схеме подходят для любых диапазонов скоростей и мощностей. Они отличаются множеством функций, которые объединены в одном устройстве. Выходная частота может быть как ниже, так и выше питающего тока. Это значения не имеет, так как в ЧП питающее напряжение все равно выпрямляется. На выходе генерируется чистая синусоидальная форма напряжения, без характерных искажений, свойственных для преобразователей тиристорной схемы.

Преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока

Схемотехнические решения для электронных частотных преобразователей

В электронных частотных преобразователях (кроме тиристорной схемы) используется три одинаковых модуля — усилитель низких частот большой мощности, отдельный на каждую фазу. В отличие от концертного усилителя и бытовой аудиоаппаратуры выход сделан высоковольтным. Функция этих модулей (составляющих 70-80% от стоимости всего частотного преобразователя) — усиление синусоидального сигнала нужной частоты от маломощного генератора. Регулировка фаз (сдвиг каждой на 120 градусов) обеспечивается микроконтроллерным управлением.

КПД частотного преобразователя зависит от сопротивления перехода транзисторов в открытом состоянии. Наиболее совершенны в этом отношении, сравнительно недавно разработанные, IGBT-транзисторы. Биполярные высоковольтные транзисторы используются в малом классе мощности, полевые высоковольтные – в малом и среднем, IGBT-транзисторы и их сборки пригодны для любых классов мощности, в том числе и для самых мощных ЧП с трехфазным напряжением на выходе 400 вольт.

Способы управления частотными преобразователями

Главная цель установки частотного преобразователя – экономия энергии. Процент экономии зависит не только от КПД электронных компонентов, но и от выбранной схемы управления. Лучше всего этой задаче отвечает схема автоматического управления, когда режим питания подбирается микроконтроллером в зависимости от нагрузки электродвигателя. Чтобы автоматика могла оценить нагрузку, используются датчики, например, динамометрическая муфта.

Частое название для схемы автоматического управления — управление с обратной связью. Действительно, отслеживание нагрузки осуществляется непрерывно с помощью цепи обратной связи. Помимо датчика нагрузки используется датчик положения вала, датчики положения приводимых элементов и любые другие устройства, которые согласуются с помощью универсальных интерфейсов. Цифровые датчики легко согласуются с современными ЧП и не требуют экранирования линии питания.

Автоматическое управление частотным преобразователем осуществляется по предварительно написанной программе. Причем, программа может прошиваться в память, как самого микроконтроллера ЧП, так и внешних устройств, чаще сего ПЛК (Промышленные Логические Контроллеры). Программы не нужно каждый раз писать заново, давно используются типовые схемы, специально разработанные для экономии электроэнергии в промышленном приводе. Это снижает сроки и стоимость настройки привода после модернизации. Низкая стоимость вычислительных мощностей, большой объем память микроконтроллеров позволяют встроить в частотный преобразователь множество функций.

  • Автоматическая оценка мощности и подбор оптимального количества энергии для двигателя путем включения ШИМ.
  • Автоматическая оценка оптимального числа оборотов для конкретного приводимого механизма и настройка двигателя на эти параметры.
  • Автоматическое обучение без участия человека.
  • Защита электродвигателя от перегрузок, перенапряжения.
  • Защита собственных входных цепей от перегрузки, перегрева, перенапряжения.
  • Работа по нескольким программам, подстройка под интенсивность производственных процессов.
  • Работа с двумя и более двигателями одновременно.
  • Работа с двумя и более двигателями раздельно. Для каждого мотора создается свой «пользовательский профиль», который включается автоматически при переключении на соответствующий двигатель.
  • Отключение при аварийных режимах работы оборудования (требует установки соответствующих датчиков)

Экономический эффект от применения частотного преобразователя очень высок. Их выпускается все большее число. Стоимость становится все более доступной. Сейчас она не отличается от цены других силовых полупроводниковых устройств.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector