Преобразователи частоты

С конца 1960-х годов преобразователи частоты изменились коренным образом, в основном, как результат разработки микропроцессорных и полупроводниковых технологий, а также благодаря снижению их стоимости.

Однако основополагающие принципы, заложенные в преобразователях частоты, остались прежними.

В состав преобразователей частоты входят четыре основных элемента:

Рис. 1. Блок-схема преобразователя частоты

1.Выпрямитель формирует пульсирующее напряжение постоянного тока при его подключении к одно/трехфазной питающей электросети переменного тока. Выпрямители бывают двух основных типов - управляемые и неуправляемые.

2.Промежуточная цепь одного из трех типов:

a) преобразующая напряжение выпрямителя в постоянный ток.

b) стабилизирующая или сглаживающая пульсирующее напряжение постоянного тока и подающая его на инвертор.

c) преобразующая неизменное напряжение постоянного тока выпрямителя в изменяющееся напряжение переменного тока.

3.Инвертор, который формирует частоту напряжения электродвигателя. Некоторые инверторы могут также конвертировать неизменное напряжение постоянного тока в изменяющееся напряжение переменного тока.

4. Электронная схема управления, которая посылает сигналы в выпрямитель, промежуточную цепь и инвертор и получает сигналы от данных элементов. Построение управляемых элементов зависит от конструкции конкретного преобразователя частоты (см. рис. 2.02).

Общим для всех преобразователей частоты является то, что все цепи управления управляют полупроводниковыми элементами инвертера. Преобразователи частоты различаются по режиму коммутации, используемому для регулирования напряжения питания электродвигателя.

На рис. 2, где показаны различные принципы построения/управления преобразователя, используются следующие обозначения:

1- управляемый выпрямитель,

2- неуправляемый выпрямитель,

3- промежуточная цепь изменяющегося постоянного тока,

4- промежуточная цепь неизменного напряжения постоянного тока

5- промежуточная цепь изменяющегося постоянного тока,

6- инвертор с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ)

7- инвертор с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ)

Инвертор тока (ИТ) (1+3+6)

Преобразователь с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ) (1+4+7) (2+5+7)

Преобразователь с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ/VVCplus) (2+4+7)

Рис. 2. Различные принципы построения/управления преобразователей частоты

Для полноты следует упомянуть прямые преобразователи, которые не имеют промежуточной цепи. Такие преобразователи используются в мегаваттном диапазоне мощности для формирования низкочастотного питающего напряжения непосредственно из сети частотой 50 Гц, при этом их максимальная выходная частота составляет около 30 Гц. 

Выпрямитель

Питающее напряжение сети является трехфазным или однофазным напряжением переменного тока с фиксированной частотой (например, 3x400 В/50 Гц или 1 х240 В/50 Гц); характеристики этих напряжений иллюстрируются приведенным ниже рисунком.

Рис. 3. Однофазное и трехфазное напряжение переменного тока

На рисунке все три фазы смещены между собой по времени, фазное напряжение постоянно изменяет направление, а частота указывает число периодов в секунду. Частота 50 Гц означает, что на секунду приходится 50 периодов (50 х Т), т.е. один период длится 20 миллисекунд.

Выпрямитель преобразователя частоты строится либо на диодах, либо на тиристорах, либо на их комбинации. Выпрямитель, построенный на диодах, является неуправляемым, а на тиристорах - управляемым. Если используются и диоды, и тиристоры, выпрямитель является полууправляемым.

Неуправляемые выпрямители

Рис. 4. Режим работы диода.

Диоды позволяют току протекать только в одном направлении: от анода (А) к катоду (К). Как и в случае некоторых других полупроводниковых приборов, величину тока диода регулировать невозможно. Напряжение переменного тока преобразуется диодом в пульсирующее напряжение постоянного тока. Если неуправляемый трехфазный выпрямитель питается трехфазным напряжением переменного тока, то и в этом случае напряжение постоянного тока будет пульсировать.

Рис. 5. Неуправляемый выпрямитель

На рис. 5 показан неуправляемый трехфазный выпрямитель, содержащий две группы диодов. Одна группа состоит из диодов D1, D3 и D5. Другая группа состоит из диодов D2, D4 и D6. Каждый диод проводит ток в течение трети времени периода (120°). В обеих группах диоды проводят ток в определенной последовательности. Периоды, в течение которых обе группы работают, смещены между собой на 1 /6 времени периода Т (60°).

Диоды D1,3,5 открыты (проводят), когда к ним приложено положительное напряжение. Если напряжение фазы L достигает положи-тельного пикового значения, то диод D, открыт и клемма А получает напряжение фазы L1 На два других диода будут действовать обратные напряжения величиной U L1-2 и U L1-3

То же происходит и в группе диодов D2,4,6. В этом случае клемма В получает отрицательное фазное напряжение. Если в данный момент фаза L3 достигает предельного отрицательного значения, диод D6 открыт (проводит). На оба других диода действуют обратные напряжения величиной U L3-1 и U L3-2

Выходное напряжение неуправляемого выпрямителя равно разности напряжений этих двух диодных групп. Среднее значение пульсирующего напряжения постоянного тока равно 1,35 х напряжение сети.

Рис. 6. Выходное напряжение неуправляемого трехфазного выпрямителя

Управляемые выпрямители

В управляемых выпрямителях диоды заменены тиристорами. Подобно диоду тиристор пропускает ток только в одном направлении - от анода (А) к катоду (К). Однако в противоположность диоду тиристор имеет третий электрод, называемый «затвором» (G). Чтобы тиристор открылся, на затвор должен быть подан сигнал. Если через тиристор течет ток, тиристор будет пропускать его до тех пор, пока ток не станет равным нулю.

Ток не может быть прерван подачей сигнала на затвор. Тиристоры используются как в выпрямителях, так и в инверторах.

На затвор тиристора подается управляющий сигнал а, который характеризуется задержкой, выражаемой в градусах. Эти градусы оказывают запаздывание между моментом перехода напряжения через нуль и временем, когда тиристор открыт.

Рис. 7. Режим работы тиристора

Если угол а находится в пределах от 0° до 90°, то тиристорная схема используется в качестве выпрямителя, а если в пределах от 90° до 300° - то в качестве инвертора.

Рис. 8. Управляемый трехфазный выпрямитель

Управляемый выпрямитель в своей основе не отличается от неуправляемого за исключением того, что тиристор управляется сигналом а и начинает проводить с момента, когда начинает проводить обычный диод, до момента, который находится на 30° позже точки перехода напряжения через нуль.

Регулирование значения а позволяет изменять величину выпрямленного напряжения. Управляемый выпрямитель формирует постоянное напряжение, среднее значение которого равно 1,35 х напряжение сети x cos α

Рис. 9. Выходное напряжение управляемого трехфазного выпрямителя

По сравнению с неуправляемым выпрямителем управляемый имеет более значительные потери и вносит более высокие помехи в сеть питания, поскольку при более коротком времени пропускания тиристоров выпрямитель отбирает от сети больший реактивный ток.

Преимуществом управляемых выпрямителей является их способность возвращать энергию в питающую сеть.

Промежуточная цепь

Промежуточную цепь можно рассматривать как хранилище, из которого электродвигатель может получать энергию через инвертор. В зависимости от выпрямителя и инвертора, возможны три принципа построения промежуточной цепи.

Инверторы - источники тока (1-преобразователи)

Рис. 10. Промежуточная цепь изменяющегося постоянного тока

В случае инверторов - источников тока промежуточная цепь содержит катушку большой индуктивности и сопрягается только с управляемым выпрямителем. Катушка индуктивности преобразует изменяющееся напряжение выпрямителя в изменяющийся постоянный ток. Величину напряжения электродвигателя определяет нагрузка.

Инверторы - источники напряжения (U-преобразователи)

Рис. 11. Промежуточная цепь постоянного напряжения

В случае инверторов - источников напряжения промежуточная цепь представляет собой фильтр, содержащий конденсатор, и может сопрягаться с выпрямителем любого из двух типов. Фильтр сглаживает пульсирующее постоянное напряжение (U21) выпрямителя.

В управляемом выпрямителе напряжение на данной частоте постоянно и подается на инвертор в качестве истинного постоянного напряжения (U22)c изменяющейся амплитудой. 

В неуправляемых выпрямителях напряжение на входе инвертора представляет собой постоянное напряжение с неизменной амплитудой.

Промежуточная цепь изменяющегося постоянного напряжения

Рис. 12. Промежуточная цепь изменяющегося напряжения

В промежуточных цепях изменяющегося постоянного напряжения можно перед фильтром включить прерыватель, как это показано на рис. 12.

Прерыватель содержит транзистор, который действует как переключатель, включая и выключая напряжение выпрямителя. Система регулирования управляет прерывателем путем сравнения изменяющегося напряжения после фильтра (U v) с входным сигналом. Если существует разность, соотношение регулируется путем изменения времени, в течение которого транзистор открыт, и времени, когда он закрыт. Тем самым изменяется эффективное значение и величина постоянного напряжения, что может быть выражено формулой

U v = U х t on / (t on + t off)

Когда транзистор прерывателя размыкает цепь тока, катушка индуктивности фильтра делает напряжение на транзисторе бесконечно большим. Чтобы избежать этого прерыватель защищен быстропереключающимся диодом. Когда транзистор открывается и закрывается, как показано на рис. 13, напряжение будет наибольшим в режиме 2. 

Рис. 13. Транзистор-прерыватель управляет напряжением промежуточной цепи

Фильтр промежуточной цепи сглаживает прямоугольное напряжение после прерывателя. Конденсатор и катушка индуктивности фильтра поддерживают постоянство напряжения на данной частоте.

В зависимости от построения промежуточная цепь может также выполнять дополнительные функции, в число которых входят:

Развязка выпрямителя от инвертора

Уменьшение уровня гармоник

Накопление энергии с целью ограничения скачков прерывистой нагрузки.

Инвертор

Инвертор - последнее звено в преобразователе частоты перед электродвигателем и место, где происходит окончательная адаптация выходного напряжения.

Преобразователь частоты обеспечивает штатные рабочие условия во всем диапазоне регулирования путем адаптации выходного напряжения к режиму нагрузки. Это позволяет поддерживать оптимальное намагничивание электродвигателя.

Из промежуточной цепи инвертор получает

Изменяющийся постоянный ток,

Изменяющееся напряжение постоянного тока или

Неизменное напряжение постоянного тока.

Благодаря инвертору, в каждом из этих случаях на электродвигатель подается изменяющаяся величина. Другими словами, в инверторе всегда создается нужная частота напряжения, подаваемого на электродвигатель. Если ток или напряжение являются изменяющимися, инвертор создает только нужную частоту. Если напряжение неизменно, инвертор создает для электродвигателя как нужную частоту, так и нужное напряжение.

Даже если инверторы работают различным образом, их основная структура всегда одинакова. Основными элементами инверторов являются управляемые полупроводниковые приборы, включенные попарно в трех ветвях.

В настоящее время тиристоры в большинстве случаев заменены высокочастотными транзисторами, которые способны открываться и закрываться очень быстро. Частота коммутации обычно находится в пределах от 300 Гц до 20 кГц и зависит от используемых полупроводниковых приборов. 

Полупроводниковые приборы в инверторе открываются и закрываются сигналами, формируемыми схемой управления. Сигналы могут формироваться несколькими различными способами.

Рис. 14. Обычный инвертор тока промежуточной цепи изменяющегося напряжения.

Обычные инверторы, коммутирующие, главным образом, ток промежуточной цепи изменяющегося напряжения, содержат шесть тиристоров и шесть конденсаторов.

Конденсаторы позволяют тиристорам открываться и закрываться таким образом, что ток в фазных обмотках сдвигается на 120 градусов и должен быть адаптирован к типоразмеру электродвигателя. Когда на клеммы электродвигателя периодически подается ток в последовательности U-V, V-W, W-U, U-V..., возникает прерывистое вращающееся магнитное поле требуемой частоты. Даже если ток электродвигателя при этом имеет почти прямоугольную форму, напряжение электродвигателя будет практически синусоидальным. Однако при включении или выключении тока всегда возникают броски напряжения.

Конденсаторы отделяются от нагрузочного тока электродвигателя диодами. 

Рис. 15. Инвертор для изменяющегося или неизменного напряжения промежуточной цепи и зависимость выходного тока от частоты коммутации инвертора

Инверторы с изменяющимся или неизменным напряжением промежуточной цепи содержат шесть коммутационных элементов и вне зависимости от вида используемых полупроводниковых приборов работают почти одинаково. Схема управления открывает и закрывает полупроводниковые приборы с помощью нескольких различных способов модуляции, изменяя тем самым выходную частоту преобразователя частоты.

Первый способ предназначен для изменяющегося напряжения или тока в промежуточной цепи.

Интервалы, в течение которых отдельные полупроводниковые приборы открыты, расположены в последовательности, используемой для получения требуемой выходной частоты.

Эта последовательность коммутации полупроводниковых приборов управляется величиной изменяющегося напряжения или тока промежуточной цепи. Благодаря использованию генератора колебаний, управляемого напряжением, частота всегда отслеживает амплитуду напряжения. Такой вид управления инвертором называется амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ).

Для фиксированного напряжения промежуточной цепи используется другой основной способ. Напряжение электродвигателя становится изменяющимся благодаря подаче напряжения промежуточной цепи на обмотки электродвигателя в течение более длинных или более коротких интервалов времени. 

Рис. 16 Модуляция амплитуды и длительности импульсов

Частота изменяется путем изменения импульсов напряжения вдоль оси времени - положительно в течение одного полупериода и отрицательно - в течение другого.

Поскольку при этом способе происходит изменение длительности (ширины) импульсов напряжения, его называют широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). ШИМ-модуляция (и связанные с ней способы, например синусоидально-управляемая ШИМ) является наиболее распространенным способом управления инвертора.

При ШИМ-модуляции схема управления определяет моменты коммутации полупроводниковых приборов при пересечении пилообразного напряжения и наложенного синусоидального опорного напряжения (синусоидально-управляемая ШИМ). Другими перспективными способами ШИМ-модуляции являются модифицированные методы широтно-импульсной модуляции, такие как WC и WC plus , разработанные корпорацией Danfoss.

Транзисторы

Поскольку транзисторы могут коммутироваться с высокими скоростями, электромагнитные помехи, возникающие при «импульсном» (намагничивании электродвигателя, уменьшаются. 

Другим преимуществом высокой частоты коммутации является гибкость модуляции выходного напряжения преобразователя частоты, что позволяет вырабатывать синусоидальный ток электродвигателя, в то время как схема управления должна просто открывать и закрывать транзисторы инвертора.

Частота коммутации инвертора - это «палка о двух концах», поскольку высокие частоты могут привести к нагреву электродвигателя и появлению больших пиковых напряжений. Чем выше частота коммутации, тем выше потери.

С другой стороны, низкая частота коммутации может привести с сильному акустическому шуму.

Высокочастотные транзисторы можно разделить на три основные группы:

Биполярные транзисторы (LTR)

Униполярные полевые МОП-транзисторы (MOS-FET)

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT)

В настоящее время наиболее широко используются транзисторы IGBT, поскольку в них управляющие свойства транзисторов MOS-FET сочетаются с выходными свойствами транзисторов LTR; кроме того, они имеют надлежащий диапазон мощностей, подходящую проводимость и частоту коммутации, что позволяет значительно упростить управление современными преобразователями частоты.

В случае транзисторов IGBT как элементы инвертора, так и средства управления инвертором помещаются в опрессованный модуль, называемый "интеллектуальным силовым модулем" (IPM).

Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ)

Амплитудно-импульсная модуляция используется для преобразователей частоты с изменяющимся напряжением промежуточной цепи.

В преобразователях частоты с неуправляемыми выпрямителями амплитуда выходного напряжения формируется прерывателем промежуточной цепи, а если выпрямитель является управляемым, амплитуда получается непосредственно.

Рис. 20. Формирование напряжения в преобразователях частоты с прерывателем в промежуточной цепи

Транзистор (прерыватель) на рис. 20 отпирается или запирается схемой управления и регулирования. Значения времени коммутации зависит от номинального значения (входного сигнала) и измеренного сигнала напряжения (фактического значения). Фактическое значение измеряется на конденсаторе.

Катушка индуктивности и конденсатор действуют как фильтр, который сглаживает пульсации напряжения. Пик напряжения зависит от времени открывания транзистора, и если номинальное и фактическое значения различаются между собой, прерыватель работает до тех пор, пока не будет достигнут требуемый уровень напряжения.

Регулирование частоты

Частота выходного напряжения изменяется инвертором в течение периода, при этом полупроводниковые коммутационные устройства срабатывают в течение периода много раз.

Длительность периода можно регулировать двумя способами:

1.непосредственно входным сигналом или

2.с помощью изменяющегося постоянного напряжения, которое пропорционально входному сигналу.

Рис. 21а. Регулирование частоты с помощью напряжения промежуточной цепи 

Широтно-импульсная модуляция является наиболее распространенным способом формирования трехфазного напряжения с соответствующей частотой.

При широтно-импульсной модуляции формирование полного напряжения промежуточной цепи (≈ √2 х U mains) определяется длительностью и частотой коммутации силовых элементов. Частота повторения ШИМ-импульсов между моментами включения и выключения является переменной и позволяет осуществлять регулировку напряжения.

Имеются три основных варианта задания режимов коммутации в инверторе с управлением посредством широтно-импульсной модуляции.

1.Синусоидально-управляемая ШИМ

2.Синхронная ШИМ

3.Асинхронная ШИМ

Каждая ветвь трехфазного ШИМ-инвертора может иметь два различных состояния (включено и выключено).

Три переключателя образуют восемь возможных коммутационных комбинаций (2 3), и, следовательно, восемь цифровых векторов напряжения на выходе инвертора или на обмотке статора подключенного электродвигателя. Как показано на рис. 21b, эти векторы 100, 110, 010, 011, 001, 101 находятся в углах описанного шестиугольника, используя в качестве нулевых векторы 000 и 111.

В случае коммутационных комбинаций 000 и 111 создается один и тот же потенциал на всех трех выходных клеммах инвертора - либо положительный, либо отрицательный относительно промежуточной цепи (см. рис. 21с). Для электродвигателя это означает эффект, близкий к короткому замыканию клемм; к обмоткам электродвигателя также приложено напряжение О В.

Синусоидально-управляемая ШИМ

При синусоидально-управляемой ШИМ для управления каждым инверторным выходом используется синусоидальное опорное напряжение (Us) Длительность периода синусоидального напряжения соответствует требуемой основной частоте выходного напряжения. На три опорных напряжения накладывается пилообразное напряжение (U D) см. рис. 22.

Рис. 22. Принцип действия синусоидально-управляемой ШИМ (с двумя опорными напряжениями)

При пересечении пилообразного напряжения и синусоидальных опорных напряжений полупроводниковые приборы инверторов либо открываются, либо закрываются.

Пересечения определяются электронными элементами платы управления. Если пилообразное напряжения больше синусоидального, то при уменьшении пилообразного напряжения выходные импульсы изменяются от положительного значения до отрицательного (или от отрицательного до положительного), так что выходное напряжение преобразователя частоты определяется напряжением промежуточной цепи. 

Выходное напряжение изменяется с помощью отношения между длительностью открытого и закрытого состояния, причем для получения требуемого напряжения это отношение можно менять. Таким образом, амплитуда отрицательных и положительных импульсов напряжения всегда соответствует половине напряжения промежуточной цепи.

Рис. 23. Выходное напряжение синусоидально-управляемой ШИМ

При низких частотах статора время в закрытом состоянии увеличивается и может оказаться настолько большим, что окажется невозможным поддерживать частоту пилообразного напряжения.

Это увеличивает период отсутствия напряжения, и электродвигатель будет работать неравномерно. Чтобы избежать этого, на низких частотах можно удвоить частоту пилообразного напряжения. 

Фазное напряжение на выходных клеммах преобразователя частоты соответствует половине напряжения промежуточной цепи, деленной на √ 2, т.е. равно половине напряжения питающей сети. Линейное напряжение на выходных клеммах в √ 3 раз больше фазного напряжения, т.е. равно напряжению питающей сети, умноженному на 0,866.

Инверторе ШИМ-управлением, который работает исключительно с модуляцией опорным синусоидальным напряжением, может подавать напряжение, равное 86,6 % номинального напряжения (см. рис. 23).

При использовании чисто синусоидальной модуляции выходное напряжение преобразователя частоты не может достигнуть напряжения электродвигателя, поскольку выходное напряжение также будет меньше на 13 %.

Однако требуемое дополнительное напряжение можно получить путем уменьшения числа импульсов, когда частота превышает примерно 45 Гц, но этот способ имеет некоторые недостатки. В частности, он вызывает ступенчатое изменение напряжения, что приводит к неустойчивой работе электродвигателя. Если число импульсов уменьшается, возрастают высшие гармоники на выходе преобразователя частоты, что увеличивает потери в электродвигателе.

Иной способ решения данной проблемы связан с использованием других опорных напряжений вместо трех синусоидальных. Эти напряжения могут быть любой формы (например, трапецеидальной или ступенчатой).

Например, одно общее опорное напряжение использует третью гармонику синусоидального опорного напряжения. Получить такой режим коммутации полупроводниковых приборов инвертора, который увеличит выходное напряжение преобразователя частоты, можно путем увеличения амплитуды синусоидального опорного напряжения на 15,5% и добавления к нему третьей гармоники.

Синхронная ШИМ

Основная трудность использования метода синусоидально-управляемой ШИМ заключается в необходимости определения оптимальных значений времени коммутации и угла для напряжения в течение заданного периода. Эти значения времени коммутации должны устанавливаться таким образом, чтобы допускать только минимум высших гармоник. Такой режим коммутации сохраняется только в течение заданного (ограниченного) диапазона частот. Работа за пределами этого диапазона требует использования другого метода коммутации.

Асинхронная ШИМ

Необходимость ориентации на поле и обеспечения быстродействия системы в отношении крутящего момента и регулирования скорости трехфазных приводов переменного тока (включая сервоприводы) требует ступенчатого изменения амплитуды и угла напряжения инвертора. Использование режима коммутации «обычной» или синхронной» ШИМ не позволяет производить ступенчатое изменение амплитуды и угла напряжения инвертора.

Одним из способов выполнения этого требования является асинхронная ШИМ, при которой вместо синхронизации модуляции выходного напряжения с выходной частотой, как это обычно делается для уменьшения гармоник в электродвигателе, производится модуляция цикла векторного регулирования напряжения, что приводит к синхронной связи с выходной частотой.

Существуют два основных варианта асинхронной ШИМ:

SFAVM (Stator Flow-oriented Asynchronous Vector Modulation = (синхронная векторная модуляция, ориентированная на магнитный поток статора)

60° AVM (Asynchronous Vector Modulation = асинхронная векторная модуляция).

SFAVM - пространственно-векторный способ модуляции, который позволяет случайным образом, но скачкообразно изменять напряжение, амплитуду и угол инвертора в течение времени коммутации. Этим достигаются повышенные динамические свойства.

Главной целью применения такой модуляции является оптимизация магнитного потока статора с помощью напряжения статора с одновременным уменьшением пульсаций крутящего момента, поскольку отклонение угла зависит от последовательности коммутации и может вызвать увеличение пульсаций момента. Поэтому последовательность коммутации должна вычисляться таким образом, чтобы с вести к минимуму отклонение угла вектора. Переключение между векторами напряжения основано на вычислении желательной траектории магнитного потока в статоре электродвигателя, которая, в свою очередь, определяет крутящий момент.

Недостатком прежних, обычных ШИМ-систем питания были отклонения амплитуды вектора магнитного потока статора и угла магнитного потока. Эти отклонения неблагоприятно влияли на вращающееся поле (крутящий момент) в воздушном зазоре электродвигателя и вызывали пульсацию крутящего момента. Влияние отклонения U амплитуды пренебрежимо мало и может быть дополнительно уменьшено путем увеличения частоты коммутации. 

Формирование напряжения электродвигателя

Стабильная работа соответствует регулированию вектора напряжения машины U wt таким образом, чтобы он описывал окружность (см. рис. 24).

Вектор напряжения характеризуется величиной напряжения электродвигателя и скорости вращения, что соответствует рабочей частоте в рассматриваемый момент времени. Напряжение электродвигателя формируется путем создания средних значений с помощью коротких импульсов из соседних векторов.

Способ SFAVM, разработанный корпорацией Danfoss, наряду с прочими обладает следующими свойствами:

Вектор напряжения можно регулировать по амплитуде и фазе без отклонения от установленного задания.

Последовательность коммутации всегда начинается с 000 или 111. Это позволяет вектору напряжения иметь три режима коммутации.

Среднее значение вектора напряжения получается с помощью коротких импульсов соседних векторов, а также нулевых векторов 000 и 111.

Схема управления

Схема управления, или плата управления - четвертый главный элемент преобразователя частоты, который предназначен для решения четырех важных задач:

Управление полупроводниковыми элементами преобразователя частоты.

Обмен данными между преобразователями частоты и периферийными устройствами.

Сбор данных и формирование сообщений о неисправностях.

Выполнение функций защиты преобразователя частоты и электродвигателя.

Микропроцессоры увеличили быстродействие схемы управления, существенно расширили область применения приводов и уменьшили количество необходимых вычислений.

Микропроцессор встраивается в преобразователь частоты и всегда способен определять оптимальную импульсную комбинацию для каждого рабочего состояния.

Схема управления для АИМ-преобразователя частоты

Рис. 25 Принцип действия схемы управления для промежуточной цепи, управляемой прерывателем.

На рис. 25 показан преобразователь частоты с АИМ-управлением и прерывателем промежуточной цепи. Схема управления управляет преобразователем (2) и инвертором (3). 

Управление производится по мгновенному значению напряжения промежуточной цепи.

Напряжение промежуточной цепи управляет схемой, которая действует как счетчик адреса в памяти для хранения данных. Память хранит выходные последовательности для импульсной комбинации инвертора. Когда напряжение промежуточной цепи увеличивается, счет происходит быстрее, последовательность заканчивается скорее, а выходная частота возрастает.

Что касается управления прерывателем, то напряжение промежуточной цепи сначала сравнивается с номинальным значением опорного сигнала-сигнала напряжения. Ожидается, что этот сигнал напряжения дает правильные значения выходного напряжения и частоты. Если изменяют опорный сигнал и сигнал промежуточной цепи, ПИ-регулятор информирует схему о том, что необходимо изменить время цикла. Это вызывает подстройку напряжения промежуточной цепи по опорному сигналу.

Обычным методом модуляции для управления преобразователем 1астоты является амплитудно-импульсная модуляция (АИМ). Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) является более современным методом.

Управление по полю (векторное управление)

Векторное управление может быть организовано несколькими способами. Основным различием способов являются критерии, которые используются при вычислении значений активного тока, тока намагничивания (магнитного потока) и крутящего момента.

При сравнении между собой двигателей постоянного тока и трехфазных асинхронных двигателей (рис. 26) выявляются определенные проблемы. На постоянном токе параметры, которые важны для создания крутящего момента, - магнитный поток (Ф) и ток якоря - фиксированы по отношению к размеру и расположению фазы и определяются ориентацией обмоток возбуждения и положением угольных щеток (рис. 26а).

В двигателе постоянного тока ток якоря и ток, создающий магнитный поток, расположены под прямым углом друг к другу и их значения не очень велики. В асинхронном электродвигателе положение магнитного потока (Ф) и тока ротора (I,) зависит от нагрузки. Кроме того, в противоположность двигателю постоянного тока, фазовые углы и ток не могут быть непосредственно определены по размеру статора.

Рис. 26. Сравнение машины постоянного тока и асинхронной машины переменного тока

Однако с помощью математической модели можно вычислить крутящий момент по зависимости между магнитным потоком и током статора.

Из измеренного тока статора (l s) выделяется составляющая (l w), которая создает крутящий момент с магнитным потоком (Ф) при прямых углах между двумя этими переменными (l в). Тем самым создается магнитный поток электродвигателя (рис. 27).

Рис. 27. Расчет составляющих тока для регулирования по полю

С помощью этих двух составляющих тока можно независимо влиять на крутящий момент и магнитный поток. Однако ввиду определенной сложности вычислений на основе динамической модели электродвигателя, такие вычисления рентабельны только в цифровых приводах.

Поскольку по такому методу регулирование возбуждения, которое не зависит от нагрузки, отделено от регулирования крутящего момента, то можно динамически управлять асинхронным двигателем так же, как и двигателем постоянного тока - при условии, что имеется сигнал обратной связи. Этот способ управления трехфазным двигателем переменного тока обладает следующими преимуществами:

Хорошая реакция на изменения нагрузки

Точное регулирование мощности

Полный крутящий момент при нулевой скорости

Рабочие характеристики сравнимы с характеристиками приводов постоянного тока. 

Регулирование V/f-характеристик и вектора магнитного потока

В последние годы разработаны системы регулирования скорости трехфазных двигателей переменного тока на основе двух разных принципов управления:

нормального V/f-регулирования, или СКАЛЯРНОГО управления, и регулирования вектора магнитного потока.

Оба метода имеют свои преимущества, зависящие от конкретных требований к рабочим характеристикам привода (динамике) и точности.

Регулирование V/f-характеристик имеет ограниченный диапазон регулирования скорости (приблизительно 1:20), и на малой скорости требуется другой принцип регулирования (компенсация). При использовании этого метода относительно просто адаптировать преобразователь частоты к электродвигателю, причем регулирование невосприимчиво к мгновенным изменениям нагрузки во всем диапазоне скоростей.

В приводах с регулированием магнитного потока преобразователь частоты должен точно конфигурироваться под электродвигатель, что требует детального знания его параметров. Также необходимы дополнительные компоненты для получения сигнала обратной связи.

Некоторые преимущества этого типа управления:

Быстрая реакция на изменения скорости и широкий диапазон скоростей

Лучшая динамическая реакция на изменения направления

Обеспечивается единый принцип управления во всем диапазоне скоростей.

Для пользователя оптимальным решением было бы сочетание наилучших свойств обоих принципов. Очевидно, что одновременно необходимы и такое свойство, как устойчивость к ступенчатой нагрузке/разгрузке во всем диапазоне скоростей, что обычно является сильной стороной V/f-регулирования, и быстрая реакция на изменения задания скорости (как при управлении по полю).

Частотно-регулируемый привод (частотно-управляемый привод, ЧУП, Variable requency Drive, VFD) - система управления частотой вращения ротора асинхронного (синхронного) электродвигателя. Состоит из собственно электродвигателя и частотного преобразователя.

Преобразователь частоты (частотный преобразователь) - это устройство состоящее из выпрямителя (моста постоянного тока), преобразующего переменный ток промышленной частоты в постоянный и инвертора (преобразователя) (иногда с ШИМ), преобразующего постоянный ток в переменный требуемых частоты и амплитуды. Выходные тиристоры (GTO) или IGBT обеспечивают необходимый ток для питания электродвигателя. Для исключения перегрузки преобразователя при большой длине фидера между преобразователем и фидером ставят дроссели, а для уменьшения электромагнитных помех - EMC-фильтр. При скалярном управлении формируются гармонические токи фаз двигателя. Векторное управление - метод управления синхронными и асинхронными двигателями, не только формирующим гармонические токи (напряжения) фаз, но и обеспечивающим управление магнитным потоком ротора (моментом на валу двигателя).

Применение частотного привода

Преобразователи частоты применяются в:

• судовом электроприводе большой мощности
• прокатных станах (синхронная работа клетей)
• высокооборотном приводе вакуумных турбомолекулярных насосов (до 100.000 об/мин.)
• конвейерных системах
• резательных автоматах
• станках с ЧПУ - синхронизация движения сразу нескольких осей (до 32 - например в полиграфическом или упаковывающем оборудовании) (сервоприводы)
• автоматически открывающихся дверях
• мешалках, насосах, вентиляторах, компрессорах
• бытовых кондиционерах
• стиральных машинах
• городском электротранспорте, особенно в троллейбусах.

Наибольший экономический эффект даёт применение ЧРП в системах вентиляции, кондиционирования и водоснабжения, где применение ЧРП стало фактически стандартом.

Преимущества применения ЧРП

• Высокая точность регулирования
• Экономия электроэнергии в случае переменной нагрузки (то есть работы эл. двигателя с неполной нагрузкой).
• Равный максимальному пусковой момент.
• Возможность удалённой диагностики привода по промышленной сети
  • распознавание выпадения фазы для входной и выходной цепей
  • учёт моточасов
  • старение конденсаторов главной цепи
  • неисправность вентилятора
• Повышенный ресурс оборудования
• Уменьшение гидравлического сопротивления трубопровода из-за отсутствия регулирующего клапана
• Плавный пуск двигателя, что значительно уменьшает его износ
• ЧРП как правило содержит в себе ПИД-регулятор и может подключатся напрямую к датчику регулируемой величины (например, давления).
• Управляемое торможение и автоматический перезапуск при пропадании сетевого напряжения
• Подхват вращающегося электродвигателя
• Стабилизация скорости вращения при изменении нагрузки
• Значительное снижение акустического шума электродвигателя, (при использовании функции «Мягкая ШИМ»)
• Дополнительная экономия электроэнергии от оптимизации возбуждения эл. двигателя
• Позволяют заменить собой автоматический выключатель

Недостатки применения частотного привода

• Большинство моделей ЧРП являются источником помех (требуется установка Фильтров высокочастотных помех)
• Сравнительно высокая стоимость для ЧРП большой мощности (окупаемость минимум 1-2 года)

Применение частотных преобразователей на насосных станциях

Классический метод управления подачей насосных установок предполагает дросселирование напорных линий и регулирование количества работающих агрегатов по какому-либо техническому параметру (например, давлению в трубопроводе). Насосные агрегаты в этом случае выбираются исходя из неких расчётных характеристик (как правило, с запасом по производительности) и постоянно функционируют с постоянной частотой вращения, без учета изменяющихся расходов, вызванных переменным водопотреблением. При минимальном расходе насосы продолжают работу с постоянной частотой вращения, создавая избыточное давление в сети (причина аварий), при этом бесполезно расходуется значительное количество электроэнергии. Так, к примеру, происходит в ночное время суток, когда потребление воды резко падает. Основной эффект достигается не за счет экономии электроэнергии, а благодаря существенному уменьшению расходов на ремонт водопроводных сетей.

Появление регулируемого электропривода позволило поддерживать постоянное давление непосредственно у потребителя. Широкое применение в мировой практике получил частотно регулируемый электропривод с асинхронным электродвигателем общепромышленного назначения. В результате адаптации общепромышленных асинхронных двигателей к их условиям эксплуатации в управляемых электроприводах создаются специальные регулируемые асинхронные двигатели с более высокими энергетическими и массогабаритностоимостными показателями по сравнению с неадаптированными. Частотное регулирование скорости вращения вала асинхронного двигателя осуществляется с помощью электронного устройства, которое принято называть частотным преобразователем. Вышеуказанный эффект достигается путём изменения частоты и амплитуды трёхфазного напряжения, поступающего на электродвигатель. Таким образом, меняя параметры питающего напряжения (частотное управление), можно делать скорость вращения двигателя как ниже, так и выше номинальной. Во второй зоне (частота выше номинальной) максимальный момент на валу обратно пропорционален скорости вращения.

Метод преобразования частоты основывается на следующем принципе. Как правило, частота промышленной сети составляет 50 Гц. Для примера возьмём насос с двухполюсным электродвигателем. С учетом скольжения скорость вращения двигателя составляет около 2800 (зависит от мощности) оборотов в минуту и даёт на выходе насосного агрегата номинальный напор и производительность (так как это его номинальные параметры, согласно паспорту). Если с помощью частотного преобразователя понизить частоту и амплитуду подаваемого на него переменного напряжения, то соответственно понизятся скорость вращения двигателя, и, следовательно, изменится производительность насосного агрегата. Информация о давлении в сети поступает в блок частотного преобразователя от специального датчика давления, установленного у потребителя, на основании этих данных преобразователь соответствующим образом меняет частоту, подаваемую на двигатель.

Современный преобразователь частоты имеет компактное исполнение, пыле и влагозащищённый корпус, удобный интерфейс, что позволяет применять его в самых сложных условиях и проблемных средах. Диапазон мощности весьма широк и составляет от 0,18 до 630 кВт и более при стандартном питании 220/380 В и 50-60 Гц. Практика показывает, что применение частотных преобразователей на насосных станциях позволяет:

• экономить электроэнергию (при существенных изменениях расхода), регулируя мощность электропривода в зависимости от реального водопотребления (эффект экономии 20-50 %);
• снизить расход воды, за счёт сокращения утечек при превышении давления в магистрали, когда расход водопотребления в действительности мал (в среднем на 5 %);
• уменьшить расходы (основной экономический эффект) на аварийные ремонты оборудования (всей инфраструктуры подачи воды за счет резкого уменьшения числа аварийных ситуаций, вызванных в частности гидравлическим ударом, который нередко случается в случае использования нерегулируемого электропривода (доказано, что ресурс службы оборудования повышается минимум в 1,5 раза);
• достичь определённой экономии тепла в системах горячего водоснабжения за счёт снижения потерь воды, несущей тепло;
• увеличить напор выше обычного в случае необходимости;
• комплексно автоматизировать систему водоснабжения, тем самым снижая фонд заработной платы обслуживающего и дежурного персонала, и исключить влияние «человеческого фактора» на работу системы, что тоже немаловажно.

По имеющимся данным срок окупаемости проекта по внедрению преобразователей частоты составляет от 3 месяцев до 2 лет.

Потери мощности при торможении электродвигателя

Во многих установках на регулируемый электропривод возлагаются задачи не только плавного регулирования момента и скорости вращения электродвигателя, но и задачи замедления и торможения элементов установки. Классическим решением такой задачи является система привода с асинхронным двигателем с преобразователем частоты, оснащённым тормозным переключателем с тормозным резистором.

При этом в режиме замедления/торможения электродвигатель работает как генератор, преобразуя механическую энергию в электрическую, которая в итоге рассеивается на тормозном резисторе. Типичными установками, в которых циклы разгона чередуются с циклами замедления являются тяговый привод электротранспорта, подъёмники, лифты, центрифуги, намоточные машины и т. п. Функция электрического торможения вначале появилась на приводе постоянного тока (например, троллейбус). В конце ХХ века появились преобразователи частоты со встроенным рекуператором, которые позволяют возвращать энергию, полученную от двигателя, работающего в режиме торможения, обратно в сеть. В этом случае, установка начинает «приносить деньги» фактически сразу после ввода в эксплуатацию.

Принцип работы частотного преобразователя

Созданный в конце XIX столетия, трёхфазный асинхронный двигатель стал незаменимой составляющей современного промышленного производства.

Для плавного пуска и остановки такого оборудования требуется специальное устройство – преобразователь частоты. Особо актуально наличие преобразователя для крупных двигателей с большой мощностью. С помощью этого дополнительного устройства можно регулировать пусковые токи, то есть, контролировать и ограничивать их величину.

Если регулировать пусковой ток исключительно механическим способом, не удастся избежать энергетических потерь и уменьшения срока службы оборудования. Показатели этого тока в пять-семь раз превышают номинальное напряжение, что недопустимо для нормальной работы оборудования.

Принцип работы современного преобразователя частоты подразумевает использование электронного управления. Они не только обеспечивают мягкий пуск, но и плавно регулируют работу привода, придерживаясь соотношения между напряжением и частотой строго по заданной формуле.

Основное преимущество устройства – экономия в потреблении электроэнергии, составляющая в среднем 50%. А также возможность регулировки с учётом потребностей конкретного производства.

Устройство функционирует по принципу двойного преобразования напряжения.

1. выпрямляется и фильтруется системой конденсаторов.
2. Затем в работу вступает электронное управление – образуется ток с указанной (запрограммированной) частотой.

На выходе выдаются прямоугольные импульсы, которые под воздействием обмотки статора двигателя (её индуктивности) становятся близкими к синусоиде.

На что обратить внимание при выборе?

Производители делают упор на стоимость преобразователя. Поэтому многие опции доступны только у дорогих моделей. При выборе устройства следует определиться с основными требованиями для конкретного использования.

• Управление может быть векторным или скалярным. Первое даёт возможность точной регулировки. Второе лишь поддерживает одно, заданное соотношение между частотой и напряжением на выходе и подходит только для простых приборов, вроде вентилятора.
• Чем выше указанная мощность, тем универсальнее будет устройство — обеспечится взаимозаменяемость и упростится обслуживание оборудования.
• Диапазон напряжения сети должен быть максимально широким, что обезопасит при перепадах его норм. Понижение не так опасно для устройства, как повышение. При последнем — вполне могут взорваться сетевые конденсаторы.
• Частота должна полностью соответствовать потребностям производства. Нижний предел указывает на диапазон регулирования скорости привода. Если нужен более широкий, потребуется векторное управление. На практике применяются частоты от 10 до 60 Гц, реже до 100Гц.
• Управление осуществляется через различные входы и выходы. Чем их больше, тем лучше. Но большее количество разъёмов существенно увеличивает стоимость устройства и усложняет его настройку.

Дискретные входы (выходы) используются для ввода команд управления и выхода сообщений о событиях (например, о перегреве), цифровые – для ввода сигналов цифровых (высокочастотных), аналоговые – для ввода сигналов обратной связи.

• Шина управления подключаемого оборудования должна совпадать с возможностями схемы частотного преобразователя по количеству входов и выходов. Лучше иметь небольшой запас для модернизации.
• Перегрузочные способности. Оптимален выбор устройства с мощностью на 15% больше мощности используемого двигателя. В любом случае нужно прочесть документацию. Производители указывают все основные параметры двигателя. Если важны пиковые нагрузки, следует выбрать преобразователь с показателем пикового тока на 10% больше указанного.

Сборка преобразователя частоты для асинхронного двигателя своими руками

Собрать инвертор или преобразователь можно самостоятельно. В настоящее время в сети находится множество инструкций и схем такой сборки.

Основная задача – получить «народную» модель. Дешёвую, надёжную и рассчитанную на бытовое применение. Для работы оборудования в промышленных масштабах, конечно, лучше отдать предпочтение устройствам, реализуемым магазинами.
Порядок действий по сборке схемы частотного преобразователя для электродвигателя

Для работы с домашней проводкой, с напряжением 220В и одной фазой. Примерная мощность двигателя до 1кВт.

На заметку. Длинные провода нужно снабдить помехоподавляющими кольцами.

Регулировка вращения ротора двигателя вмещается в диапазон частоты 1:40. Для малых частот необходимо фиксированное напряжение (IR компенсация).

Подключение частотного преобразователя к электродвигателю

Для однофазной проводки на 220В (использования в домашних условиях) подключение осуществляется по схеме «треугольник». Выходной ток не должен превышать 50% от номинального!

Для трёхфазной проводки на 380В (промышленного использования) подключение двигателя к частотному преобразователю осуществляется по схеме «звезда».

Преобразователь (или ) имеет соответствующие клеммы, помеченные буквами.

• R, S, T– сюда подключаются провода сети, очерёдность не имеет значения;
• U , V , W – для включения асинхронного двигателя (если двигатель вращается в обратную сторону, нужно поменять местами любой из двух проводов на этих клеммах).
• Отдельно предусмотрена клемма для заземления.

Для продления срока эксплуатации преобразователя необходимо соблюдать следующие правила:

1. Регулярно очищать внутренности устройства от пыли (лучше выдувать её небольшим компрессором, так как пылесос с загрязнением не всегда справится – пыль уплотняется).
2. Своевременно заменять узлы. Электролитические конденсаторы рассчитаны на пять лет, предохранители на десять лет эксплуатации. А вентиляторы охлаждения на два-три года использования. Внутренние шлейфы следует заменять раз в шесть лет.
3. Контролировать внутреннюю температуру и напряжение на шине постоянного тока.

Повышение температур приводит к засыханию термопроводящей пасты и разрушению конденсаторов. На силовых компонентах привода её следует менять ни реже одного раза в три года.

4. Придерживаться условий эксплуатации. Температура окружающей среды не должна превышать +40 градусов. Недопустима высокая влажность и запылённость воздуха.

Управление асинхронным мотором (например, ) – довольно сложный процесс. Преобразователи, изготовленные кустарно, дешевле промышленных аналогов и вполне подходят для использования в бытовых целях. Однако для применения на производстве предпочтительнее установить инверторы, собранные в заводских условиях. Обслуживание таких дорогих моделей под силу только хорошо обученному техническому персоналу.

Регулируемый электропривод предназначен для управления двигателем путем контроля параметров. Скорость прямо пропорциональна частоте. Поэтому, варьируя частотой, можно поддерживать скорость вращения вала мотора, заданную согласно технологии. Пошаговое описание рабочего процесса для частотно-регулируемого привода (ЧРП) выглядит примерно так.

1. Шаг первый. Преобразование диодным силовым выпрямителем одно- или трехфазного входного тока в постоянный.
2. Шаг второй. Контроль преобразователем частоты за крутящим моментом и скоростью вращения вала электродвигателя.
3. Шаг третий. Управление выходным напряжением, поддерживание постоянного соотношения U/f.

Устройство, выполняющее на выходе системы обратную функцию генерации постоянного тока в переменный, именуется инвертором. Избавление от пульсаций на шине достигается путем добавления дросселя и конденсатора фильтра.

Как выбрать частотно-регулируемый электропривод

Преобладающее число частотных преобразователей изготавливаются со встроенным фильтром электромагнитной совместимости (ЭМС).

Различаются такие виды управления, как , бездатчиковое и датчиковое векторное, и др. Согласно заданным приоритетам в принятии управленческих решений, приводы выбираются по:

• типу нагрузки;
• напряжению и номиналу двигателя;
• режиму управления;
• регулировки;
• ЭМС и т. д.

Если ЧРП предназначен для асинхронного двигателя с большим сроком эксплуатации, то рекомендуется выбирать частотный преобразователь с завышенным током на выходе.С помощью современных преобразователей частоты возможно управление с пульта, по интерфейсу или комбинированным методом.

Технические особенности применения частотного электропривода

1. Для обеспечения высокой производительности можно свободно переключаться на любой режим в настройках.
2. Практически все устройства обладают диагностическими функциями, что позволяет быстро устранить возникшую неполадку. Однако рекомендуется в первую очередь проверить настройки, исключить вероятность непроизвольных действий работников.
3. Регулируемыйприводможетсинхронизировать конвейерные процессы, либо задавать определённое соотношение взаимозависимых величин. Сокращение оборудования ведёт к оптимизации технологии.
4. В состоянии автонастройки параметры двигателя автоматически заносятся в память преобразователя частоты. Благодаря чему повышается точность вычисления момента, и улучшается компенсация скольжения.

Область применения

Производителями предлагается широкий ассортимент приводов, используемых в областях, где задействованы электродвигатели. Идеальное решение для всех видов нагрузки, и вентиляторов. Системы среднего класса используются на угольных электростанциях, в горнодобывающей промышленности, на мельницах, в жилищно-коммунальном хозяйстве и т. д. Диапазон номиналов выглядит таким образом: 3 кВ, 3.3 кВ, 4.16 кВ, 6 кВ, 6.6 кВ, 10 кВ и 11 кВ.

С появлением регулируемого электропривода контроль давления воды у конечного потребителя не вызывает проблем. Интерфейс с продуманной структурой сценариев отлично подходит для управления насосным оборудованием. Благодаря компактной конструкции, привод может быть установлен в шкаф различного исполнения. Продукты нового поколения обладают свойствами передовой техники:

• высокая скорость и точность управления в векторном режиме;
• существенная экономия электроэнергии;
• быстрые динамические характеристики;
• большой низкочастотный вращающий момент;
• двойное торможение и т. д.

Назначение и технические показатели

Комплектные ЧРП напряжением до и выше 1 кВ (предназначенные для приема и преобразования энергии, защиты электрооборудования от токов КЗ, перегрузки) позволяют:

• плавно запускать двигатель, а, следовательно, уменьшать его износ;
• останавливать, поддерживать частоту вращения вала двигателя.

Комплектные ЧРП шкафного исполнения до 1кВ выполняют те же задачи по отношению к двигателям с мощностью 0,55 – 800 кВт. Привод нормально работает, когда напряжение в электросети находится в пределах от -15% до +10%. При безостановочной работе снижение мощности наступает, если напряжение составляет 85%-65%. Общий коэффициент мощности cosj = 0,99. Выходное напряжение автоматически регулируется посредством автоматического включение резерва (АВР).

Преимущества использования

С точки зрения оптимизации и потенциальные преимущества предоставляют возможность:

• регулировать процесс с высокой точностью;
• удалённо диагностировать привод;
• учитывать моточасы;
• следить за неисправностью и старением механизмов;
• повышать ресурс машин;
• значительно снижать акустический шум электродвигателя.

Заключение

Что такое ЧРП? Это мотор-контроллер, который управляет электродвигателем за счет регулировки частоты входной сети, и одновременно защищает агрегат от различных неисправностей (токовой перегрузки, токов КЗ).

Электрические приводы (выполняющие три функции, связанные со скоростью, управлением и торможением) являются незаменимым устройством для работы электродвигателей и других вращающихся машин. Системы активно применяются во многих сферах производства: в нефтегазовой отрасли, атомной энергетике, деревообработке и др.

Частотное регулирование угловой скорости вращения электропривода с асинхронным двигателем в настоящее время широко применяется, так как позволяет в широком интервале плавно изменять обороты вращения ротора как выше, так и ниже номинальных значении.

Частотные преобразователи являются современными, высокотехнологичными устройствами, обладающими большим диапазоном регулирования, имеющими обширный набор функций для управления асинхронными двигателями. Высочайшее качество и надежность дают возможность применять их в различных отраслях для управления приводами насосов, вентиляторов, транспортеров и т.д.

Частотные преобразователи по напряжению питания подразделяются на однофазные и трехфазные, а но конструктивному исполнению на электромашинные вращающиеся и статические. В электромашинных преобразователях переменная частота получается за счет использования обычных или специальных электрических машин. В изменение частоты питающего тока достигается за счет применения не имеющих движения электрических элементов.

Преобразователи частоты для однофазной сети позволяют обеспечить электропривод производственного оборудования мощностью до 7,5 кВт. Особенностью конструкции современных однофазных преобразователей является то, что на входе имеется одна фаза с напряжением 220В, а на выходе - три фазы с тем же значением напряжения, что позволяет подключать к устройству трехфазные электродвигатели без применения конденсаторов.

Преобразователи частоты с питанием от трехфазной сети 380В выпускаются в диапазоне мощностей от 0,75 до 630 кВт. В зависимости от величины мощности устройства изготавливаются в полимерных комбинированных и металлических корпусах.

Самой популярной стратегией управления асинхронными электродвигателями является векторное управление. В настоящее время большинство частотных преобразователей реализуют векторное управление или даже векторное бездатчиковое управление (этот тренд встречается в частотных преобразователях, первоначально реализующих скалярное управление и не имеющих клемм для подключения датчика скорости).

Исходя из вида нагрузки на выходе, преобразователи частоты подразделяются по типу исполнения:

для насосного и вентиляторного привода;

для общепромышленного электропривода;

эксплуатируется в составе электродвигателей, работающих с перегрузкой.

Современные преобразователи частоты обладают разнообразным набором функциональных особенностей, например, имеют ручное и автоматическое управление скоростью и направлением вращения двигателя, а также на панели управления. Наделены возможностью регулирования диапазона выходных частот от 0 до 800 Гц.

Преобразователи способны выполнять автоматическое управление асинхронным двигателем по сигналам с периферийных датчиков и приводить в действие электропривод по заданному временному алгоритму. Поддерживать функции автоматического восстановления режима работы при кратковременном прерывании питания. Выполнять управление переходными процессами с удаленного пульта и осуществлять защиту электродвигателей от перегрузок.

Связь между угловой скоростью вращения и частотой питающего тока вытекает из уравнения

ω о = 2πf 1 /p

При неизменном напряжении источника питания U1 и изменении частоты изменяется магнитный поток асинхронного двигателя. При этом для лучшего использования магнитной системы при снижении частоты питания необходимо пропорционально уменьшать напряжение, иначе значительно увеличатся намагничивающий ток и потери в стали.

Аналогично при увеличении частоты питания следует пропорционально увеличивать напряжение, чтобы сохранить магнитный поток постоянным, так как в противном случае (при постоянном моменте на валу) это приведет к нарастанию тока ротора, перегрузке его обмоток по току, снижению максимального момента.

Рациональный закон регулирования напряжения зависли от характера момента сопротивления.

При постоянном моменте статической нагрузки (Mс = const) напряжение должно регулироваться пропорционально его частоте U1/f1 = const. Для вентиляторного характера нагрузки соотношение принимает вид U1/f 2 1 = const.

При моменте нагрузки, обратно пропорциональном скорости U1/√ f1 = const.

На рисунках ниже представлены упрощенная схема подключения и механические характеристики асинхронного двигателя при частотном регулировании угловой скорости.

Частотное регулирование скорости асинхронного двигателя позволяет изменять угловую скорость вращения в диапазоне - 20...30 к 1. Регулирование скорости асинхронного двигателя вниз от основной осуществляется практически до нуля.

При изменении частоты питающей сети верхний предел частоты вращения асинхронного двигателя зависит от ее механических свойств, тем более что на частотах выше номинальной асинхронные двигатель работает с лучшими энергетическими показателями, чем на пониженных частотах. Поэтому, если в системе привода используется редуктор, это управление двигателем по частоте следует производить не только вниз, но и вверх от номинальной точки, вплоть до максимальной частоты вращения, допустимой но условиям механической прочности ротора.

При увеличении оборотов вращения двигателя выше указанного значения в ею паспорте частота источника питания не должна превышать номинальную не более чем 1,5 - 2 раза.

Частотный способ является наиболее перспективным для регулирования асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Потери мощности мри гаком регулировании невелики, поскольку не сопровождаются увеличением . Получаемые при этом механические характеристики обладают высокой жесткостью.