10. Преобразователи частоты

Преобразователи частоты — это устройства, преобразующие переменный ток одной частоты в переменный ток другой ча­стоты.

Различают два класса преобразователей частоты: с непосредственной связью; с промежуточным звеном постоянного тока.

Последние подразделяются на:

а) со звеном постоянного тока;

б) со звеном постоянного напряжения;

в) резонансные.

По количеству фаз выпускают:

а) однофазные;

б) трёхфазные.

По способу управления ключами схем применяют:

а) векторное;

б) скалярное;

в) с модуляцией по частоте;

г) с модуляцией по фазе или периоду.

В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные модификации GCT, IGCT, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.

По величине питающего напряжения выпускают низковольтные и высоковольтные преобразователи [11].

В высоковольтных используются следующие схемные решения:  

1) двухтрансформаторная схема  преобразователя частоты;

2) схема преобразователя с последовательным включением ключей;

3) схема преобразователя с многообмоточным трансформатором.

10.1. Преобразователь с непосредственной связью

Исторически первый преобразователь — это преобразователь с непосредственной связью (рис.10.1). . В настоящее время преобразователи с непосредственной связью практически не находят применения из-за узкого диапазона вторичных частот. Преобразователь представляет управляемый выпрямитель на тиристорах, в котором в силовой части система управления поочерёдно подключает статорные обмотки к питающей сети.

Таким образом, выходное напряжение преобразователя формируется  из «вырезанных» участков синусоид входного напряжения. На рис.10.1,б. показан пример формирования выходного напряжения  для одной из фаз нагрузки. На входе преобразователя действует трехфазное синусоидальное напряжение u_а

, u_в, u_с. Выходное напряжение u_вых имеет несинусоидальную «пилообразную» форму, которую условно можно аппроксимировать синусоидой.

а б

Рис.10.1. Схема преобразователя с непосредственной связью

Из рисунка видно, что частота выходного напряжения не может быть равна или выше частоты питающей сети. Она находится в диапазоне от 0 до 30 Гц. Как следствие — малый диапазон управления частоты вращения двигателя (не более 1: 10). Это ограничение не позволяет применять такие преобразователи в современных частотно регулируемых приводах с широким диапазоном регулирования технологических параметров.

10.2. Преобразователи с промежуточным звеном

Такие преобразователи подразделяются на преобразова­тели частоты с непосредственной связью и естественной коммутацией тока тиристоров и с непосредственной связью с искусственной коммутацией тока тиристоров. Преобразователи с промежуточным звеном постоянного то­ка позволяют регулировать выходную частоту при помощи си­стемы управления инвертора СУИ в широком диапазоне как вверх, так и вниз от частоты питающей сети. Данный тип пре­образователей частоты имеет простую схему силовой части, а следовательно, и системы управления.

В синхронном электрическом двигателе частота вращения ротора в установившемся режиме равна частоте вращения магнитного поля статора . В асинхронном электрическом двигателе частота вращения ротора отличается от частоты вращения на величину скольжения .

Частота вращения магнитного поля зависит от частоты напряжения питания. При питании обмотки статора электрического двигателя трехфазным напряжением с частотой создается вращающееся магнитное поле. Скорость вращения этого поля определяется по известной формуле                                                        ω

1 = ,            (10.1)

где р – число пар полюсов статора.

Переход от скорости вращения поля ω₁, измеряемой в радианах, к частоте вращения , выраженной в оборотах в минуту, осуществляется по следующей формуле: = 60ω₁/ 2π, (10.2)

где 60 – коэффициент пересчета размерности.

Подставив в это уравнение скорость вращения поля ω1,получим, что   = . (10.3)

Таким образом, частота вращения ротора синхронного и асинхронного двигателей зависит от частоты напряжения питающей сети.

На этой зависимости и основан метод частотного регулирования.

Изменяя с помощью преобразователя частоту на входе двигателя, мы регулируем частоту вращения ротора.

В наиболее распространенном частотно регулируемом приводе на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяются скалярное и векторное частотное управление.

При скалярном управлении по определенному закону изменяют амплитуду и частоту приложенного к двигателю напряжения. Изменение частоты питающего напряжения приводит к отклонению от расчетных значений максимального и пускового моментов двигателя КПД, коэффициента мощности. Поэтому для поддержания требуемых рабочих характеристик двигателя необходимо с изменением частоты одновременно соответственно изменять и амплитуду напряжения.

В существующих преобразователях частоты при скалярном управлении чаще всего поддерживаются постоянным отношением максимального момента двигателя к моменту сопротивления на валу. То есть при изменении частоты амплитуда напряжения изменяется таким образом, что отношение максимального момента двигателя к текущему моменту нагрузки остается неизменным. Это отношение называется перегрузочная способность двигателя. Максимальный момент, развиваемый двигателем, определяется следующей зависимостью между напряжением и частотой:

^М_мах = , (10.4)

где — постоянный коэффициент.

При постоянстве перегрузочной способности номинальные коэффициент мощности и КПД двигателя на всем диапазоне регулирования частоты вращения практически не изменяются.

Поэтому зависимость напряжения питания от частоты определяется характером нагрузки на валу электрического двигателя.

Для постоянного момента нагрузки поддерживается отношение U/f = const, и, по сути, обеспечивается постоянство максимального момента двигателя. Но на малых частотах, начиная с некоторого значения частоты, максимальный момент двигателя начинает падать. Для компенсации этого и для увеличения пускового момента используется повышение уровня напряжения питания.

Используя зависимость максимального крутящего момента от напряжения и частоты, можно построить график U от f для любого типа нагрузки.

Важным достоинством скалярного метода является возможность одновременного управления группой электродвигателей. Скалярное управление достаточно для большинства практических случаев применения частотно регулируемого электропривода с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя до 1:40.

Векторное управление позволяет существенно увеличить диапазон управления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Этот метод обеспечивает непосредственное управление вращающим моментом двигателя.

Вращающий момент определяется током статора, который создает возбуждающее магнитное поле. При непосредственном управлении моментом необходимо изменять кроме амплитуды ещё и фазу статорного тока, то есть вектор тока. Этим и обусловлен термин «векторное управление». Для управления вектором тока, а следовательно, положением магнитного потока статора относительно вращающегося ротора требуется знать точное положение ротора в любой момент времени. Задача решается либо с помощью выносного датчика положения ротора, либо определением положения ротора путем вычислений по другим параметрам двигателя. В качестве этих параметров используются токи и напряжения статорных обмоток.

Менее дорогим является частотно регулируемый электропривод с векторным управлением без датчика обратной связи скорости, однако векторное управление при этом требует большого объема и высокой скорости вычислений от преобразователя частоты. Кроме того, для непосредственного управления моментом при малых, близких к нулевым скоростям вращения работа частотно регулируемого электропривода без обратной связи по скорости невозможна. Векторное управление с датчиком обратной связи скорости обеспечивает диапазон регулирования до 1:1000 и выше, точность регулирования по скорости – сотые доли процента, точность по моменту – единицы процентов.

Структурная схема преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока показана на рис. 10.2. Напряжение сети выпрямляется управляемым выпрямителем 1, имеющим систему управления СУВ, фильтруется LC-фильтром 2 и подается на автономный инвер­тор АИ-3. Функции регулирования частоты выходного напряже­ния осуществляет инвертор, а напряжения – выпрямитель. Иногда обе функции совмещает инвертор, а выпрямитель вы­полняют неуправляемым. Основным недостатком преобразователя частоты с проме­жуточным звеном постоянного тока является двойное преобра­зование энергии – выпрямление и инвертирование, что приво­дит к снижению КПД и ухудшению массогабаритных показа­телей. В преобразователях частоты с промежуточным звеном по­стоянного тока можно осуществить свободный обмен электри­ческой энергией между потребителем и питающей сетью в обо­их направлениях. Для такого обмена требуются полностью управляемые вентили с двухсторонней проводимостью.

Промышленность выпускает IGBT транзисторы и силовые полевые транзисторы на токи до 60 А и напряжение до 1200 В. Они имеют более высокий КПД (до 98 %) по отношению к преобразователям на IGBT транзисторах.

Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоян­ного тока применяют для питания электрических двигателей, частоту вращения ротора которых необходимо варьировать в широких пределах при пуске, торможении и регулировании скорости.

Рис. 10.2. Преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока

В соответствии с современным направлением развития науки и техники преобразователи частоты строят на регулируемых выпрямителях и инверторах управляемых однокристальной микро ЭВМ (рис.10.3).

Для силовой части преобразователя используют тиристоры и мощные полевые и IGBT-транзисторы. Инвертор преобразователя частоты на тиристорах имеет большую стоимость, вес, габариты, более сложный монтаж, конструкцию и меньшую надежность. Транзисторный преобразователь частоты основан на широтно-импульсной модуляции. Для управления преобразователем, питающем трехфазный двигатель, используется контроллер, имеющий 6 выходов ШИМ: по два на каждую фазу – один для верхней полуволны, другой для нижней. Также микроконтроллер должен обеспечивать возможность введения обратных связей, а значит, иметь АЦП, цифровые вводы–выводы для создания программных клавиш, возможность программирования и перепрограммирования с персональной ЭВМ. В схеме встроены цепи защиты, которые предохраняют силовые устройства от повреждений в случае системного сбоя или перенапряжения. Эти цепи обнаруживают неисправность и производят отключение схемы. Защита предусмотрена в следующем объеме: защита от тока короткого замыкания; минимальная защита по управляющему напряжению; температурная защита.

Рис. 10.3. Схема транзисторного преобразователя частоты с цифровым управлением

Также у силового драйвера предусмотрен выходной сигнал ошибки

FAULT, чтобы предупреждать контроллер о срабатывании какой-либо защиты. В случае срабатывания цепи защиты на выходе драйвера формируется сигнал FAULT и контроллер прекращает ШИМ модуляцию. Для согласования уровней напряжения на выходах контроллера и входах силовых транзисторов предусмотрена гальваническая развязка на диодно-транзисторных оптронах АОТ.

Три АОТ, управляющие нижними транзисторами JGBT, питаются от общего выпрямителя + 15 В, а три верхних АОТ, управляющие верхними тремя IGBT c плавающим потенциалом управления, питаются от трех изолированных выпрямителей + 15 В. Для исключения этих выпрямителей используются бустреповые емкости С1 С2, заряжаемые через диодно-резисторные цепочки от выпрямителя + 15 В питающего. Для согласования уровней напряжений на выходе МЭВМ и входах силовых транзисторов предусмотрена гальваническая развязка на диодно-транзисторных оптронах АОТ. Три АОТ, управляющие нижними IGBT,нижние АОТ. Величина резистора датчика тока, включенного в цепь N-N1, выбирается в зависимости от мощности электродвигателя М, а интегрирующее звено R1-C5 исключает ложные срабатывания защиты в моменты коммутации ключей. Если сигнал с шунта превысит 0,6 В, то все ключи закрываются и выдается сигнал ошибки FAULT на ОЭВМ. На настоящий момент низковольтные преобразователи на IGBT имеют более высокую цену на единицу выходной мощности, вследствие относительной сложности производства транзисторных модулей. Однако по соотношению цена/качество, исходя из перечисленных достоинств, они явно выигрывают у тиристорных преобразователей, кроме того, на протяжении последних лет наблюдается неуклонное снижение цен на IGBT модули.

Главным препятствием на пути их использования в высоковольтном приводе с прямым преобразованием частоты и при мощностях выше 1 – 2 МВт на настоящий момент являются технологические ограничения. Увеличение коммутируемого напряжения и рабочего тока приводит к увеличению размеров транзисторного модуля, а также требует более эффективного отвода тепла от кремниевого кристалла.

Новые технологии производства биполярных транзисторов направлены на преодоление этих ограничений, и перспективность применения IGBT очень высока также и в высоковольтном приводе. В настоящее время IGBT транзисторы применяются в высоковольтных преобразователях в виде последовательно соединенных единичных модулей с меньшим рабочим напряжением. Количество модулей определяется величиной рабочего напрясжения и током нагрузки. 10.3. Высоковольтные преобразователи частоты

В последние годы большое внимание, которое диктуется потребностями рынка, уделяют разработке и созданию высоковольтных частотных преобразователей. Требуемая величина выходного напряжения преобразователя частоты для высоковольтного электропривода достигает 10 кВ и выше при мощности до нескольких десятков мегаватт. Вентильные  высоковольтные   преобразователи   частоты  предназначены для частотного пуска и регулирования скорости вращения  высоковольтных  электродвигателей, мощностью 250-5000 кВт. Они преобразуют электрическую энергию трехфазной сети переменного тока промышленной частоты напряжением 3, 6 или 10 кВ в трехфазное напряжение с параметрами частоты и напряжения, изменяемыми по закону частотного регулирования. Существует четыре основные схемы построения вентильных преобразователя со звеном постоянного тока:

— прямого преобразования ПЧСВ;

— с низковольтным звеном ПЧСН;

— многоуровневые;

— каскадные.

Электропривод прямого преобразования ПЧСВ находит применение, если напряжение питающей сети и номинальное напряжение двигателя соответствуют напряжению преобразователя   частоты. Функциональная схема такого электропривода показана на рис.10.4.

Рис. 10.4. Электропривод прямого преобразования ПЧСВ: В — управляемый выпрямитель; РТ — входной реактор; ДТ — датчик тока: ДС — сглаживающие дроссели; И — инвертор; СУВ — система управления выпрямителем; СУИ — система управления инвертором; Тн — измерительные трансформаторы напряжения; ТВ — тиристорный возбудитель; ОВ — обмотка возбуждения синхронного двигателя

ПЧСВ включает в себя  высоковольтный  выпрямитель, инвертор и сглаживающий дроссель в цепи постоянного тока. Нагрузкой инвертора является приводной двигатель. Для симметрирования силовой схемы преобразователя сглаживающие дроссели выполняются с расщепленной обмоткой (с двумя полуобмотками). Обмотки дросселя включаются последовательно в оба полюса звена постоянного тока. Возможно применение двух независимых дросселей. Такое построение позволяет снизить воздействие на изоляцию двигателя по отношению к земле. Входной реактор (РТ) предназначен для ограничения аварийных токов короткого замыкания на безопасном для силовых приборов уровне.

Силовые схемы управляемого выпрямителя и инвертора построены на базе трехфазных мостов. Каждое из шести вентильных плеч выпрямителя (инвертора) составлено из n последовательно включенных вентилей (тиристоров и IGBT-транзисторов). Число вентилей зависит от класса питающего напряжения. Силовые вентили, характеризующиеся разбросом заряда восстановления, шунтируются цепями динамического распределения напряжения по последовательно включенным вентилям при коммутации. Параметры цепей распределения выбраны с учетом максимальной величины разброса заряда восстановления при максимальной нагрузке, а также с учетом параметров нелинейного токоограничивающего дросселя, включенного в каждую вентильную цепь. Для повышения надежности и исключения развития аварии осуществляется контроль целостности индивидуально каждого силового вентиля.

studfiles.net

Частотные преобразователи — структура, принцип работы

Частотные преобразователи – это устройство, предназначенное для преобразования переменного тока (напряжения) одной частоты в переменный ток (напряжение) другой частоты.

 

Выходная частота в современных преобразователях может изменяться в широком диапазоне и быть как выше, так и ниже частоты питающей сети.

 

Схема любого преобразователя частоты состоит из силовой и управляющей частей. Силовая часть обычно выполнена на тиристорах или транзисторах, которые работают в режиме электронных ключей. Управляющая часть выполняется на цифровых микропроцессорах и обеспечивает управление силовыми электронными ключами, а также решение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика, защита).

 

Частотные преобразователи, применяемые в регулируемом электроприводе, в зависимости от структуры и принципа работы силовой части разделяются на два класса:

1. С явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.
2. С непосредственной связью (без промежуточного звена постоянного тока).
   • практически самый высокий КПД относительно других преобразователей (98,5% и выше),
   • способность работать с большими напряжениями и токами, что делает возможным их использование в мощных высоковольтных приводах,
   • относительная дешевизна, несмотря на увеличение абсолютной стоимости за счет схем управления и дополнительного оборудования.

 

Каждый из существующих классов имеет свои достоинства инедостатки, которые определяют область рационального применения каждого из них.

 

Исторически первыми появились преобразователи с непосредственной связью (рис. 4.), в которых силовая часть представляет собой управляемый выпрямитель и выполнена на не запираемых тиристорах. Система управления поочередно отпирает группы тиристотров и подключает статорные обмотки двигателя к питающей сети.

 

 

 

 

  

Таким образом, выходное напряжение преобразователя формируетсяиз «вырезанных» участков синусоид входного напряжения. На рис.5. показан пример формирования выходного напряжениядля одной из фаз нагрузки. На входе выигрывают у тиристорныхдействует трехфазное синусоидальное напряжение uа, uв, uс. Выходное напряжение uвых имеет несинусоидальную «пилообразную» форму, которую условно можно аппроксимировать синусоидой (утолщенная линия). Из рисунка видно, что частота выходного напряжения не может быть равна или выше частоты питающей сети. Она находится в диапазоне от 0 до 30 Гц. Как следствие малый диапазон управления частоты вращения двигателя (не более 1: 10). Это ограничение не позволяет применять такие преобразователи в современных частотно регулируемых приводах с широким диапазоном регулирования технологических параметров.

 

Использование не запираемых тиристоров требует относительно сложных систем управления, которые увеличивают стоимость преобразователя.

 

«Резаная» синусоида на выходе преобразователя является источником высших гармоник, которые вызывают дополнительные потери в электрическом двигателе, перегрев электрической машины, снижение момента, очень сильные помехи в питающей сети. Применение компенсирующих устройств приводит к повышению стоимости, массы, габаритов, понижению к.п.д. системы в целом.

 

Наряду с перечисленными недостатками преобразователей с непосредственной связью, они имеют определенные достоинства. К ним относятся:

 

Подобные схемы преобразователей используются в старых приводах и новые конструкции их практически не разрабатываются.

 

Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых приводах находят частотники с явно выраженным звеном постоянного тока (рис. 6.)

 

В частотных преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе (В), фильтруется фильтром (Ф), сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором (И) в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению к.п.д. и к некоторому ухудшению массогабаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.

 

Для формирования синусоидального переменного напряжения используются автономные инверторы напряжения и автономные инверторы тока.

 

В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные модификации GCT, IGCT, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.

 

Главным достоинством тиристорных преобразователей частоты, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия.

 

Они имеют более высокий КПД (до 98%) по отношению к преобразователям на IGBT транзисторах (95 – 98%).

 

Преобразователи частоты на тиристорах в настоящее время занимают доминирующее положение в высоковольтном приводе в диапазоне мощностей от сотен киловатт и до десятков мегаватт с выходным напряжением 3 — 10 кВ и выше. Однако их цена на один кВт выходной мощности самая большая в классе высоковольтных преобразователей.

 

До недавнего прошлого преобразователи частоты на GTO составляли основную долю и в низковольтном частотно регулируемом приводе. Но с появлением IGBT транзисторов произошел «естественный отбор» и сегодня преобразователи на их базе общепризнанные лидеры в области низковольтного частотно регулируемого привода.

 

Тиристор является полууправляемым приборам: для его включения достаточно подать короткий импульс на управляющий вывод, но для выключения необходимо либо приложить к нему обратное напряжение, либо снизить коммутируемый ток до нуля. Для этого в тиристорном преобразователе частоты требуется сложная и громоздкая система управления.

 

Биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT отличают от тиристоров полная управляемость,простая неэнергоемкая система управления, самая высокая рабочая частота.

 

Вследствие этого преобразователи частоты на IGBT позволяют расширить диапазон управления скорости вращения двигателя, повысить быстродействие привода в целом.

 

Для асинхронного электропривода с векторным управлением преобразователи на IGBT позволяют работать на низких скоростях без датчика обратной связи.

 

Применение IGBT с более высокой частотой переключения в совокупности с микропроцессорнойсистемой управления в частотных преобразователях снижает уровень высших гармоник, характерных для тиристорных преобразователей. Как следствие меньшие добавочные потери в обмотках и магнитопроводе электродвигателя,уменьшение нагрева электрической машины, снижение пульсаций момента и исключение так называемого «шагания» ротора в области малых частот. Снижаются потери в трансформаторах, конденсаторных батареях, увеличивается их срок службы и изоляции проводов, уменьшаются количество ложных срабатываний устройств защиты и погрешности индукционных измерительных приборов.

 

Частотные преобразователи на транзисторах IGBT по сравнению с тиристорными преобразователями при одинаковой выходной мощности отличаются меньшими габаритами, массой, повышенной надежностью в силу модульного исполнения электронных ключей, лучшего теплоотвода с поверхности модуля и меньшего количества конструктивных элементов.

 

Они позволяют реализовать более полную защиту от бросков тока и от перенапряжения, что существенно снижает вероятность отказов и повреждений электропривода.

 

На настоящий момент низковольтные преобразователи на IGBT имеют болеевысокую цену на единицу выходной мощности, вследствие относительной сложности производстватранзисторных модулей. Однако по соотношению цена/качество, исходя из перечисленных достоинств, они явно выигрывают у тиристорных, кроме того, на протяжении последних лет наблюдается неуклонное снижение цен на IGBT модули.

 

Главным препятствием на пути их использования в высоковольтном приводе с прямым преобразованием частоты и при мощностях выше 1 – 2 МВт на настоящий момент являются технологические ограничения. Увеличение коммутируемого напряжения и рабочего тока приводит к увеличению размеров транзисторного модуля, а такжетребует более эффективного отвода тепла от кремниевого кристалла.

 

Новые технологии производства биполярных транзисторов направлены на преодоление этих ограничений, и перспективность примененияIGBT очень высока также и в высоковольтном приводе. В настоящее время IGBT транзисторы применяются в высоковольтных преобразователях в виде последовательно соединенных нескольких единичных модулей.

Структура и принцип работы низковольтного преобразователя частоты на IGBT транзисторах

Типовая схема низковольтного преобразователя частоты представлена на рис. 7. В нижней части рисунка изображены графики напряжений и токов на выходе каждого элемента инвертора.

 

Переменное напряжение питающей сети (uвх.)с постоянной амплитудой и частотой (U вх = const, f вх = const) поступает на управляемый или неуправляемый выпрямитель (1).

 

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (uвыпр.) используется фильтр (2). Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока.

 

С выхода фильтра постоянное напряжение u d поступает на вход автономного импульсного инвертора (3).

 

Автономный инвертор современных низковольтных преобразователей, как было отмечено, выполняется на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT. На рассматриваемом рисунке изображена схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения как получившая наибольшее распространение.

 

 

В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения ud в трехфазное (или однофазное) импульсное напряжение u и изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечиваетсяв середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя.Амплитуда и частота напряженияопределяются параметрами модулирующей синусоидальной функции.

 

При высокой несущей частоте ШИМ (2 … 15 кГц) обмотки двигателя вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи.

 

В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем (1) изменение амплитуды напряжения uи может достигаться регулированием величины постоянного напряжения ud, а изменение частоты – режимом работы инвертора.

 

При необходимости на выходе автономного инвертора устанавливается фильтр (4) для сглаживания пульсаций тока. (В схемах преобразователей на IGBT в силу низкого уровня высших гармоник в выходном напряжении потребность в фильтре практически отсутствует.)

 

Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (вых = var, f вых = var).

 

---

Сделать заказ на частотный преобразователь

www.softstarter.ru

Преобразователь частоты: тиристорный, высоковольтный, обзор цен

Для стабилизации электрического тока используются различные устройства. Предлагаем рассмотреть, что такое электромашинный преобразователь частоты, как работает высоковольтный, тиристорный и однофазный прибор, его назначение, где можно купить, а также схема, как его сделать своими руками.

Общая информация

Простейший преобразователь напряжения тока или частоты (ПЧ) – это электромагнитный, электронный или электромеханический прибор, который преобразует переменный ток одной частоты в переменный ток другой. Устройство может также изменить напряжение, но для этого необходимо  использовать специальные настройки и компоненты. На нашем рынке они представлены такими марками и типами как CSACS550, ACS800, Aqua, ATV, ATV312, ATV61, CIMR, Commander, Control, Cue, Drive, F740, Fdu40, Frenic, Frn, Fuji, Hvac, IC5, Innovert, Keb, L100, L200, L300p, Matlab, Micromaster, Mini, N100, N50, N700e, Nxs, Pr6000, Prostar, S11, Schneider, Sinamics, Smd, Unidrive, Vector, Vfs11, Winner, Yaskawa.

Фото – Цифровой преобразователь частоты

Преобразователь напряжение-частота широко используется для того, чтобы сохранить энергию механических систем, к примеру, двигателя, насоса, вентилятора и т.д. Выбираются приборы в соответствии с кривыми двигателя для обеспечения оптимальной скорости и нагрузки, транзисторный преобразователь может помочь сэкономить энергию двигателя, снижая потери энергии и увеличивая КПД. Это достигается путем преобразования фиксированной частоты входящего переменного тока напряжения в постоянный ток, а затем, варьируя частоту переконвертировать его обратно в переменное напряжение, используя биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).

Бывают преобразователи высокой частоты таких видов:

1. Работающие при помощи звена постоянного тока;
2. Работающие с непосредственной связью.

В основном используется первый тип электропривода, т.к. он обеспечивает двойное преобразование частоты вращения двигателя, при этом контролируется как вход сигнала, так и выход. Рассмотрим подробнее их принцип действия.

Фото – Современные преобразователи частоты

Принцип работы и характеристики

Преобразователь частоты для асинхронных двигателей работает путем преобразования входного синусоидального напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока, а затем его изменения обратно в переменное напряжение. Это преобразование происходит с помощью либо кремниевых выпрямителей или IGBT-транзисторов. Напряжение постоянного тока включается с помощью транзисторов для создания постоянного выходного напряжения переменного тока (так называемый инвертор). Транзисторы могут включать и выключать питание, чтобы создать нужное напряжение сигнала тока, который обеспечивает питание двигателя. Частота, на которой происходит переключение (несущая), варьируется в зависимости от серии и компании, которой изготовлен преобразователь напряжения и частоты (Vacon, Mitsubishi, Toshiba, Altivar, FDU, Danfoss – Данфосс, Delta Hyundai, Emotron, ABB, Lenze, Hitachi, Siemens, Omron, Electric и т.д.)

Фото – Частотный преобразователь дельта

Статический трехфазный ПЧ имеет шесть диодов в качестве мостового выпрямителя переднего плана, которые преобразуют переменный ток в постоянный. ПЧ может также иметь 12 диодов – два комплекта на фазу (2 × 2 × 3 = 12 импульсов), или 18 диодов – три набора на фазу (3 × 2 × 3 = 18 импульсов) и т.д. Один набор диодов подается от трансформатора дельта, чтобы создать фазовый сдвиг на стороне источника переменного тока между двумя выпрямителями, чем  уменьшить гармонику и отразить сигнал назад к входу напряжения.

1. 6-диодный преобразователь наиболее часто используется в строительной сфере. Суммарный коэффициент гармонических искажений, отраженный обратно к источнику, может быть выше, чем поступающий на входящие контакты. Вы можете установить встроенную катушку индукционного типа, чтобы уменьшить отражение гармоника обратно в точку сцепления. ПЧ снижает искажение тока в ​​источнике.
2. 12-импульсный преобразователь повышенной частоты (его еще называют, плавный) может отменить отражение гармоник обратно к источнику. Фазы сдвига трансформатора могут быть настроены для уменьшения гармонических искажений на входных клеммах.
3. 18-импульсный силовой преобразователь использует как синхронный, так и асинхронный двигатель. Он обеспечивает низкий уровень гармонических искажений в электрической сети, благодаря поэтапной отмене первичных гармоник (5-м и 7-м) и гармоник высокого порядка, которые могут привести к резонансу на емкостных и индуктивных нагрузках (например, фильтрах, трансформаторах и т. д.). Их стоимость зачастую очень высокая, поэтому используются они только в производственных цехах. КНИ на входных клеммах может быть менее 5%, поэтому ниже общее напряжение гармонических искажений будет реализовано в источнике, в зависимости от схемы импеданса. Часто этот прибор цифровой, что значительно облегчает работу  с ним.

Основные характеристики:

• Напряжение – 220-480 В;
• Защита Ip54;
• Температурный барьер для нормальной работы – от +10 до -40 градусов;
• Мощность – от 1 кВт.

Также существует двухзвенный преобразователь (ТТПТ, ТОШИБА, УХЛ4, ТПЧ, ТРИОЛ), матричный и векторный прибор, он состоит из ПЧ переменного тока и напряжения для создания нужной амплитуды. Обеспечивает пуск в течение 2 секунд от включения, дорогой, в последнее время теряет свою актуальность.

Этот ПЧ выполнен коммутацией естественного типа, оснащен отдельным источником напряжения с повышенной частотой. У него достаточно узкий круг использования, в основном это городские или квартальные электростанции.

В зависимости от области использования, нужно выбрать оптимальный преобразователь, иначе Вы не только переплатите за устройство, но и можете подвергнуть опасности жизни своих близких и работников.

Обязательно перед покупкой должна быть прочитана документация, проверена мощность и пропускные способности. Настройка и сборка преобразователей может производиться продавцом-консультантом непосредственно на месте покупки.

Фото – Двухзвенный преобразователь

Для чего нужен преобразователь: для подключения и работы лифтов (ПЧВН, ППЧВ), регулировки частоты станочного двигателя (к примеру, VLT, VFD), автомобильного мотора (Мицубиси, Opel Omega – Омега) и т.д.

Описание самостоятельного подключения

Предлагаем рассмотреть, как можно самому собрать и подключить простой самодельный инверторный преобразователь частоты для небольшого трехфазного электродвигателя в виде подробной инструкции.

Рассмотрим создание ПЧ на примере двигателя с частотой 400Гц и напряжением электрической сети 27 Вольт. Обмотки соединены в звезду, благодаря чему средняя точка каждой выведена наружу, это позволяет существенно упростить микросхему: нужно три выходных сигнала, и один выходной ключ на каждую из фаз. Электрическая схема подключения показана на фото ниже:

Фото – Схема подключения

Данное устройство состоит из таких компонентов: генератор, формирующий импульсы, ключи на составных транзисторах и электрического двигателя.

Фото – Частотный преобразователь схема 1

Руководство, по которому можно подключить преобразователь частоты двигателя, имеет вид упрощенной схемы. На чертеже изображен двигатель, который управляется несколькими ключами. Механические контакты показаны как элементы полупроводникового типа. Питается двигатель при помощи постоянного напряжения. Естественно нельзя одновременно открывать нижние и верхние ключи,  иначе произойдет короткое замыкание, и мощность ВПЧ потока упадет до нуля, чтобы это предотвратить, нужно подключить преобразователь таким образом, чтобы при открытии нижнего ключа верхний закрывался. Для осуществления такой технологии используются специальные контроллеры, образующие мертвую зону.

Временной интервал для мертвой зоны нужно рассчитать таким образом, чтобы гарантировать успешное закрытие всех транзисторов верхнего ряда, только тогда вероятность образования сквозных токов будет сведена к минимуму.

Ключами с гальванической связью управляет драйвер на составном резисторе, для этого часто устанавливают дополнительный оптрон для каждого ключа или канала (как и показано на схеме), эта деталь на данном чертеже выполняет роль еще одного инвертора.

Чтобы питать каждый драйвер, нужно использовать специальный выпрямитель, который в свою очередь, запитан от обмотки привода. Возможно, это является одним из недостатков схемы. Для управления длительности мертвой зоны данный преобразователь напряжения и частоты использует конденсатор.

Этот прибор относится к типу универсал, его можно подсоединять к любым двигателям, мощность которые не превышает 10 кВт.

Ремонт и обслуживание

Если ПЧ не работает на полную мощность, то рекомендуем проверить тормозной резистор для преобразователя частоты, в таблице ниже даны оптимальные показатели. В том случае, если данные Вашей детали не совпадают с ними, то необходима замена резистора:

Фото – Данные для тормозных резисторов

Система может дать сбой, если Вы выбрали очень мощный ПЧ для слабой сети. Дело в том, что большинство деталей преобразователя предназначено для постоянного напряженного состояния, если уровень сигнала не доходит до минимальных показателей ПЧ, то он не будет работать.

Есть два варианта:

• Техническое испытание;
• Проверка схемы выпрямления.

Также можно попробовать поискать проблемы своими силами, при помощи мультиметра:

1. Проверьте уровень сигнала, если на преобразователе написано, что необходимо напряжении в 380 Вольт, а подается только 220 – то работать прибор не будет;
2. Проверьте правильность подключения преобразователя к порту и плотность всех прочих соединений;
3. В процессе эксплуатации, преобразователь напряжения и частоты нельзя подвергать воздействию воды и резким перепадам температуры;
4. На цифровых приборах есть возможность вывести причину поломки на экран, производитель указывает как вызвать эту функцию в инструкции;
5. Проверьте напряжение, не должно быть разрывов или сильных перепадов.

www.asutpp.ru

Что такое преобразователь частоты переменного тока (VFD)?

Что такое преобразователь частоты переменного тока (VFD)?

Преобразователь частоты (VFD) — это тип частотно регулируемый привода, который управляет электродвигателем, изменяя частоту и напряжение, подаваемые на электродвигатель. Аббревиатуру VFD также подразумевает под собой следующие синонимы: привод с переменной скоростью, частотно регулируемый привод, преобразователь частоты, привод переменного тока, микропривод и инвертор.

Частота (Герц) напрямую связана с скоростью вращения двигателя (об/мин или RPM). Другими словами, чем быстрее частота, тем быстрее вращается ротор двигателя. Если система не требует, чтобы электродвигатель работал на полной скорости, привод VFD можно использовать для снижения частоты и напряжения в соответствии с технологическими требованиями системы и требованиями нагрузки электродвигателя. Частотный преобразователь VFD может уменьшать или увеличивать частоту вращения электродвигателя, для обеспечения требуемых параметров скорости.

Как работает преобразователь частоты?

Первичным звеном частотного преобразователя переменного переменного тока или VFD, является преобразователь тока. Преобразователь тока состоит из шести диодов, которые аналогичны обратным клапанам, используемым в системах водопровода. Они позволяют току течь только в одном направлении; Направление тока изображено на знаке диода в виде стрелки. Например, когда напряжение А-фазы (по аналогии с системой водопровода напряжение можно представить как давление) выше, напряжение фазы B или C, тогда соответствующий диод откроется. Когда напряжение В-фазы становится выше, чем на фазе А, то диод В-фазы откроется, и диод А-фазы закроется. То же самое верно для 3-х диодов с отрицательной стороны шины. Таким образом, мы получаем шесть текущих «импульсов», поскольку каждый диод открывается и закрывается. Это называется «шестиимпульсным VFD», который является стандартной конфигурацией для текущих частотно-регулируемых приводов.

Предположим, что привод работает от напряжения сети 480 В. Значение 480В – является среднеквадратичной. Пики в сети со среднеквадратичным напряжением 480 В составляют 679 В. Как вы можете видеть, у шины преобразователя частоты есть напряжение постоянного тока с пульсацией переменного тока. Напряжение пробегает величины приблизительно от 580 В до 680 В.

Мы можем избавиться от пульсации переменного тока на шине постоянного тока, добавив конденсатор. Конденсатор работает аналогично резервуару или аккумулятору в системе воснабжения. Этот конденсатор поглощает пульсацию переменного тока и обеспечивает плавное постоянное напряжение. Пульсация переменного тока на шине постоянного тока обычно составляет менее 3 вольт. Таким образом, напряжение на шине постоянного тока становится примерно «650 В постоянного тока». Фактическое напряжение будет зависеть от напряжения питающей двигатель сети переменного тока, уровня дисбаланса напряжения в электрический сети, нагрузки двигателя, полного сопротивления системы, а также любых других дросселей или гармонических фильтров привода.

Преобразователь диодного моста, который преобразует переменное напряжение в постоянное, иногда называют просто «конвертером». Звено, преобразующее постоянный ток обратно в переменный, также является преобразователем, но чтобы отличить его от диодного преобразователя, его обычно называют «инвертором».

Обратите внимание, что в реальном преобразователе частоты переменного тока показанные переключатели фактически будут транзисторами.

Когда мы закрываем один из верхних переключателей в инверторе, соответствующая фаза двигателя подключается к положительной шине постоянного тока, и напряжение на этой фазе становится положительным. Когда мы закрываем один из нижних переключателей в преобразователе, фаза подключается к отрицательной шине постоянного тока и становится отрицательной. Таким образом, мы можем делать положительной или отрицательной любую фазу на двигателе, а соответственно и генерировать любую желаемую частоту. Итак, мы можем сделать любую фазу положительной, отрицательной или нулевой.

Синяя синусоидальная волна показана только для сравнения. Привод на самом деле не генерирует эту синусоидальную волну.

Обратите внимание, что выходной сигнал преобразователя частоты имеет «прямоугольную» форму волны. Привод VFD не может генерировать идеальный синусоидальный сигнал. Этот прямоугольный сигнал естественно не будет хорошим вариантом для систем распределения общего назначения, но вполне подходит для электродвигателя.

Если мы хотим уменьшить частоту двигателя до 30 Гц, то мы просто медленне переключаем транзисторы инвертора. Но, если мы уменьшаем частоту до 30 Гц, то мы также должны уменьшить напряжение до 240 В для поддержания отношения В/Гц. Каким же образом мы будем уменьшать напряжение, если у нас есть только напряжение постоянного тока в 650 В?

Это принцип называется Широтно Импульсной Модуляцией или ШИМ. Представьте себе, что мы можем контролировать давление в системе водоснабжения, поворачивая затвор на высокой скорости. Хотя это не было бы практично для системы водоснабжения, оно отлично работает для Преобразователя частоты VFD. Обратите внимание, что в течение первого цикла напряжение будет лишь половину времени и нулевым вторую половину цикла. Таким образом, среднее напряжение составляет половину 480 В или 240 В. Путем импульсного выхода мы можем добиться любого среднего напряжения на выходе частотного преобразователя VFD.

Для чего использовать преобразователь частоты переменного тока VFD?

Сокращение потребления энергии и затрат на лектроэнергию.

Если у вас есть применение, которое не требует постоянной работы на максимальной скорости, вы можете сократить энергозатраты, управляя двигателем с помощью частотно-регулируемого привода, что является одним из преимуществ преобразователей частоты. Преобразователь частоты переменного тока VFD позволяет вам сопоставлять скорость электродвигателя с требуемой нагрузкой. На сегодняшний момент нет другого, более эффективного способа управления электродвигателем переменного тока, который позволит выполнить это.

На сегодняшний момент потребление электроэнергии электродвигателями составляет более 65% мирового энергопотребления. Оптимизация систем управления двигателем путем применения частотных преобразователей способна добится снижения энергопотребления в некоторых случаях до 70%. Кроме того, использование преобразователя частоты улучшает качество продукции и снижает издержки производства.

Увеличение производства за счет более жесткого контроля технологических процессов.

Управляя двигателями с максимальной эффективностью, в технологическом цикле будет происходить меньшее количество ошибок, меньше простоев, что в свою очередь обеспечит более высокий уровень дохода. Так, например, на конвейерах и ремнях с помощью частотного регулирования вы устраняете рывки при запуске, позволяя использовать сквозной старт.

Увеличьте срок службы оборудования и уменьшите обслуживание.

Ваше оборудование будет работать дольше и иметь меньше времени простоя из-за технического обслуживания благодаря оптимальному управлению частотой и напряжением. Частотный преобразователь также будет обеспечивать оптимальную защиту электродвигателя от электротермические перегрузок, пропадания фазы, перенапряжения и т. д. Также чатотный преобразователь обеспечит плавный запуск двигателя устранив возможные ударные нагрузки.

Оригинал статьи: http://www.vfds.com/blog/what-is-a-vfd

01.10.2017

www.chastotnik.pro

Принцип работы частотного преобразователя для асинхронного двигателя

Содержание:

1. Что такое частотный преобразователь
2. Принцип действия
3. Настройка частотного преобразователя для электродвигателя
4. Подбор частотного преобразователя для двигателя
5. Видео

Трехфазные асинхронные двигатели нашли самое широкое применение в промышленности и других областях. Современное оборудование просто невозможно представить без этих агрегатов. Одной из важнейших составляющих рабочего цикла машин и механизмов является их плавный пуск и такая же плавная остановка после выполнения поставленной задачи. Такой режим обеспечивается путем использования преобразователей частоты. Эти устройства проявили себя наиболее эффективными в больших электродвигателях, обладающих высокой мощностью.

С помощью преобразователей частоты успешно выполняется регулировка пусковых токов, с возможностью контроля и ограничения их величины до нужных значений. Для правильного использования данной аппаратуры необходимо знать принцип работы частотного преобразователя для асинхронного двигателя. Его применение позволяет существенно увеличить срок службы оборудования и снизить потери электроэнергии. Электронное управление, кроме мягкого пуска, обеспечивает плавную регулировку работы привода в соответствии с установленным соотношением между частотой и напряжением.

Что такое частотный преобразователь

Основной функцией частотных преобразователей является плавная регулировка скорости вращения асинхронных двигателей. С этой целью на выходе устройства создается трехфазное напряжение с переменной частотой.

Преобразователи частоты нередко называются инверторами. Их основной принцип действия заключается в выпрямлении переменного напряжения промышленной сети. Для этого применяются выпрямительные диоды, объединенные в общий блок. Фильтрация тока осуществляется конденсаторами с высокой емкостью, которые снижают до минимума пульсации поступающего напряжения. В этом и заключается ответ на вопрос для чего нужен частотный преобразователь.

В некоторых случаях в схему может быть включена так называемая цепь слива энергии, состоящая из транзистора и резистора с большой мощностью рассеивания. Данная схема применяется в режиме торможения, чтобы погасить напряжение, генерируемое электродвигателем. Таким образом, предотвращается перезарядка конденсаторов и преждевременный выход их из строя. В результате использования частотников, асинхронные двигатели успешно заменяют электроприводы постоянного тока, имеющие серьезные недостатки. Несмотря на простоту регулировки, они считаются ненадежными и дорогими в эксплуатации. В процессе работы постоянно искрят щетки, а электроэрозия приводит к износу коллектора. Двигатели постоянного тока совершенно не подходят для взрывоопасной и запыленной среды.

В отличие от них, асинхронные двигатели значительно проще по своему устройству и надежнее, благодаря отсутствию подвижных контактов. Они более компактные и дешевые в эксплуатации. К основному недостатку можно отнести сложную регулировку скорости вращения традиционными способами. Для этого было необходимо изменять питающее напряжение и вводить дополнительные сопротивления в цепь обмоток. Кроме того, применялись и другие способы, которые на практике оказывались неэкономичными и не обеспечивали качественной регулировки скорости. Но, после того как появился преобразователь частоты для асинхронного двигателя, позволяющий плавно регулировать скорость в широком диапазоне, все проблемы разрешились.

Одновременно с частотой изменяется и подводимое напряжение, что позволяет увеличить КПД и коэффициент мощности электродвигателя. Все это позволяет получить высокие энергетические показатели асинхронных двигателей, продлить срок их эксплуатации.

Принцип действия частотного преобразователя

Эффективное и качественное управление асинхронными электродвигателями стало возможно за счет использования совместно с ними частотных преобразователей. Общая конструкция представляет собой частотно-регулируемый привод, который позволил существенно улучшить технические характеристики машин и механизмов.

В качестве управляющего элемента данной системы выступает преобразователь частоты, основной функцией которого является изменение частоты питающего напряжения. Его конструкция выполнена в виде статического электронного узла, а формирование переменного напряжения с заданной изменяемой частотой осуществляется на выходных клеммах. Таким образом, за счет изменения амплитуды напряжения и частоты регулируется скорость вращения электродвигателя.

Управление асинхронными двигателями осуществляется двумя способами:

• Скалярное управление действует в соответствии с линейным законом, согласно которому амплитуда и частота находятся в пропорциональной зависимости между собой. Изменяющаяся частота приводит к изменениям амплитуды поступающего напряжения, оказывая влияние на уровень крутящего момента, коэффициент полезного действия и коэффициент мощности агрегата. Следует учитывать зависимость выходной частоты и питающего напряжения от момента нагрузки на валу двигателя. Для того чтобы момент нагрузки был всегда равномерным, отношение амплитуды напряжения к выходной частоте должно быть постоянным. Данное равновесие как раз и поддерживается частотным преобразователем.
• Векторное управление удерживает момент нагрузки в постоянном виде во всем диапазоне частотных регулировок. Повышается точность управления, электропривод более гибко реагирует на изменяющуюся выходную нагрузку. В результате, момент вращения двигателя находится под непосредственным управлением преобразователя. Нужно учитывать, что момент вращения образуется в зависимости от тока статора, а точнее – от создаваемого им магнитного поля. Под векторным управлением фаза статорного тока изменяется. Эта фаза и есть вектор тока осуществляющий непосредственное управление моментом вращения.

Настройка частотного преобразователя для электродвигателя

Для того чтобы преобразователь частоты для асинхронного двигателя в полном объеме выполнял свои функции, его необходимо правильно подключить и настроить. В самом начале подключения в сети перед прибором размещается автоматический выключатель. Его номинал должен совпадать с величиной тока, потребляемого двигателем. Если частотник предполагается эксплуатировать в трехфазной сети, то автомат также должен быть трехфазным, с общим рычагом. В этом случае при коротком замыкании на одной из фаз можно оперативно отключить и другие фазы.

Ток срабатывания должен обладать характеристиками, полностью соответствующими току отдельной фазы электродвигателя. Если частотный преобразователь планируется использовать в однофазной сети, в этом случае рекомендуется воспользоваться одинарным автоматом, номинал которого должен в три раза превышать ток одной фазы. Независимо от количества фаз, при установке частотника, автоматы не должны включаться в разрыв заземляющего или нулевого провода. Рекомендуется использовать только прямое подключение.

При правильной настройке и подключении частотного преобразователя, его фазные провода должны соединяться с соответствующими контактами электродвигателя. Предварительно обмотки в двигателе соединяются по схеме «звезда» или «треугольник», в зависимости от напряжения, выдаваемого преобразователем. Если оно совпадает с меньшим значением, указанным на корпусе двигателя, то применяется соединение треугольником. При более высоком значении используется схема «звезда».

Далее выполняется подключение частотного преобразователя к контроллеру и пульту управления, который входит в комплект поставки. Все соединения осуществляются в соответствии со схемой, приведенной в руководстве по эксплуатации. Рукоятка должна находиться в нейтральном положении, после чего включается автомат. Нормальное включение подтверждается световым индикатором, загорающимся на пульте. Для того чтобы преобразователь заработал, нажимается кнопка RUN, запрограммированная по умолчанию.

После незначительного поворота рукоятки, двигатель начинает постепенно вращаться. Для переключения вращения в обратную сторону, существует специальная кнопка реверса. Затем с помощью рукоятки настраивается нужная частота вращения. На некоторых пультах вместо частоты вращения электродвигателя, отображаются данные о частоте напряжения. Поэтому рекомендуется заранее внимательно изучить интерфейс установленной аппаратуры.

Частотные преобразователи для асинхронных двигателей

Благодаря частотным преобразователям, работа современных асинхронных двигателей отличается высокой эффективностью, устойчивостью и безопасностью. Это особенно важно, поскольку каждый электродвигатель отличается индивидуальными особенностями режима работы. Поэтому оптимизации параметров питания агрегатов с использованием преобразователей частоты придается большое значение. Когда частотный преобразователь выбирается для каких-либо конкретных целей, в этом случае должны обязательно учитываться его рабочие параметры.

Нормальная работа устройства будет зависеть от типа электродвигателя, его мощности, диапазона, скорости и точности регулировок, а также от поддержания стабильного момента вращения вала. Эти показатели имеют первостепенное значение и должны органично сочетаться с габаритами и формой аппарата. Следует обратить особое внимание на то, как расположены элементы управления и будет ли удобно им пользоваться.

Выбирая устройство, необходимо заранее знать, в каких условиях оно будет эксплуатироваться. Если сеть однофазная, то и преобразователь должен быть таким же. То же самое касается и трехфазных аппаратов. Многое зависит от мощности асинхронных двигателей. Если при запуске на валу необходим высокий пусковой момент, то и частотный преобразователь должен быть рассчитан на большее значение тока.

electric-220.ru

Преобразователи частоты

Преобразователи частоты

Преобразователи частоты — это электронные приборы, которые служат для преобразования сетевого трёхфазного или однофазного переменного напряжения c частотой 50 (60) Гц в трёхфазное или однофазное напряжение c частотой от долей Гц до сотен Гц, а в некоторых случаях до тысяч Гц.
Частотные преобразователи применяются для плавного регулирования скорости асинхронного электродвигателя или синхронного двигателя за счет создания на выходе преобразователя электрического напряжения заданной частоты. В простейших случаях регулирование частоты и напряжения происходит в соответствии с заданной характеристикой V/f, в более совершенных преобразователях реализовано, так называемое, векторное управление. В нашей номенклатуре имеются частотники (Intek SPK и SPE), в которых, кроме обычных режимов (V/f и  векторный), имеется режим, при котором напряжение и частота на выходе преобразователя могут регулироваться независимо друг от друга. В преобразователях серии SPK возможно подключение энкодера, как датчика обратной связи.

Преобразователи частоты состоят из выпрямителя (выпрямительного моста), преобразующего переменный ток промышленной частоты в постоянный, и инвертора, преобразующего постоянный ток в переменный требуемой частоты и амплитуды. Выходные транзисторы (IGBT) переключаются по сложному алгоритму (используется режим, так называемой, широтно-импульсной модуляции – ШИМ). Выходное напряжение формируется из «вырезанных» участков напряжения звена постоянного тока. Как правило, преобразователь этим импульсным напряжением обеспечивает питание электродвигателя.
За счет использования частотного регулирования появляется возможность управлять производительностью технологического оборудования, что положительно сказывается на его функциональности и показателях энергоэффективности, а также надежности работы. В случае, если кабель соединяющий преобразователь и двигатель имеет значительную длину, то из-за электрической емкости этого кабеля возникают импульсы выходного тока. Для защиты преобразователя от этих импульсов между ним и двигателем иногда ставят дроссель. Преобразователи частоты при своей работе создают токи высших гармоник в питающей сети, что приводит к ухудшению качества электроэнергии. Для защиты сети от  электромагнитных помех, возникающих из-за работы силовых транзисторов, на входе преобразователя устанавливают фильтр электромагнитной совместимости (EMC). Если сеть питания «засорена» коммутационными выплесками напряжения, а также для снижения эффективного значения питающего тока во входной силовой цепи преобразователя устанавливается сетевой дроссель переменного тока.

Приобрести преобразователи частотыПреобразователи частоты Intek можно в нашей компании. Если у Вас имеются вопросы по выбору модели, свяжитесь с нашей технической службой и получите консультацию. Если у Вас имеются специальные требования, наша компания готова проанализировать их и порекомендовать необходимое оборудование.
При эксплуатации, либо обслуживании частотного преобразователя необходимо соблюдать все меры предосторожности. Помните, что в конструкции устройства имеются электролитические конденсаторы, которые длительно сохраняют заряд даже после отключения от сети. Поэтому, перед тем, как производить обслуживание преобразователя частоты, необходимо дождаться их разряда. В конструкции частотных преобразователей присутствуют элементы, которые боятся статического электричества. В частности, это относится к микропроцессорной системе управления. Поэтому преобразователь должен быть надежно заземлен не только для  защиты обслуживающего персонала от поражения электрическим током, но и для защиты внутренних элементов от статического электричества.

Принцип работы преобразователя частоты на IGBT транзисторах
В преобразователях используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе, сглаживается электролитическими конденсаторами, а затем вновь преобразуется инвертором в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Типовая схема преобразователя частоты представлена на рисунке ниже. В нижней части рисунка изображены графики напряжений на основных элементах преобразователя.

После выпрямителя устанавливается резистор, который выполняет функцию ограничения тока заряда конденсаторов в момент включения преобразователя в сеть. Через несколько секунд после включения это сопротивление шунтируется контактами реле (иногда для целей шунтирования используется тиристор).
С выхода емкостного фильтра постоянное напряжение поступает на вход инвертора. Инвертор современных преобразователей выполняется на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT.
В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения в трехфазное (или однофазное, если преобразователь предназначен для питания однофазных электродвигателей) импульсное напряжение изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления соответствующие силовые транзисторы инвертора подсоединяют обмотки электрического двигателя к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки  в течение времени различная. Наибольшая ширина импульса должна быть в  середине полупериода, а к началу и концу полупериода она уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя. Амплитуда и частота напряжения определяются системой управления транзисторами.
При высокой несущей частоте ШИМ (1…15 кГц) обмотки двигателя вследствие их индуктивности работают как фильтр. Поэтому токи, протекающие через них, сглаживаются и имеют практически синусоидальную форму.
Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды.

Экономическая эффективность применения преобразователя частоты
Преобразователи частоты, предлагаемые нашей компанией, возможно использовать в промышленных системах, где требуется поддержание на заданном уровне некоторого технологического параметра. Этот параметр измеряется соответствующим датчиком, сигнал которого подается на специальный вход преобразователя.
Часто решение этой задачи используется в системах, где требуется поддержать давление в магистральном трубопроводе. Электродвигатель насоса в этом случае питают от частотного преобразователя, задающего такую скорость вращения насоса, при которой давление в магистрали стабилизируется.
Срок окупаемости затрат после установки преобразователя в систему, как правило, меньше полугода.
Экономическая выгода достигается за счет существенного снижения потребления электроэнергии по сравнению с системой, где давление регулируется, например, задвижкой или перепускным вентилем.
Наибольшая экономическая эффективность использования ПЧ достигается, если система вентиляции или водоснабжения большую часть времени недогружена. Такая периодическая недогрузка свойственна этим системам. Например, в суточной кривой расхода воды, как правило, имеются два явных максимума – утром и вечером. Исходя из этих максимумов, выбирается мощность магистрального насоса. В остальное время суток насос работает с небольшой нагрузкой. Именно в это время ПЧ позволяет снизить потребление электроэнергии.

В номенклатуре изделий, предлагаемых нашим покупателям, все ПЧ имеют встроенный регулятор, позволяющий использовать этот преобразователь для автоматического поддержания давления воды или расхода воздуха на требуемом уровне. Встроенный источник напряжения (24 В постоянного тока) позволяет обеспечить питание технологического датчика  без использования дополнительных блоков.

Для чего нужны дроссели при работе с преобразователями частоты?
Входные дроссели снижают вероятность повреждения преобразователя из-за коммутационных импульсных перенапряжений или большого дисбаланса фазного напряжения (>2%) в линии питания. Также входные дроссели служат для приближения к синусоиде формы входного тока преобразователя, что, в свою очередь, уменьшает действующее значение этого тока и нагрев проводов.

Импульсные перенапряжения могут быть вызваны следующими факторами:

1. Установкой рядом с приводом мощного силового электронного оборудования (например: приводы постоянного и переменного тока, промышленные выпрямители, установки улучшения коэффициента мощности и т.п.).

2. Электродвигателями с запуском непосредственно от сети с помощью магнитных пускателей или софт-стартеров.

3. Авариями в системе электроснабжения.

4. Использованием сварочного оборудования рядом с преобразователями.

Выход из строя преобразователей из-за импульсных перенапряжений или некачественного напряжения питания не являются гарантийными случаями.

Выходные дроссели должны обязательно использоваться  в случаях, если длина силового кабеля, соединяющего преобразователь и двигатель, превышает величину, оговоренную в инструкции по эксплуатации этого прибора.
Также выходные дроссели устанавливают, если преобразователь питает несколько двигателей.  Различают подсоединение нагрузок «веером» или «шлейфом». При «веере» все  моторные кабели соединяются на выходе преобразователя. В этом случае установка выходных дросселей обязательна.
Следует заметить, что выходные дроссели значительно уменьшают вероятность отказа преобразователя при коротких замыканиях в цепи двигателя, и особенно при коротких замыканиях «на землю».

Что такое скалярное и векторное управление в преобразователе частоты?
Скалярное управление (или частотное управление V/f) предполагает следующий алгоритм работы преобразователя. В зависимости от задания, на выходе преобразователя формируется напряжение определенной частоты и величины. Это напряжение предназначено для питания обмоток электродвигателя. Однако, нет контроля над тем, как на самом деле вращается двигатель. Предполагается, что двигатель должен вращаться «правильно». Контролируется лишь уровень тока, чтобы он не превышал определенные значения, опасные для двигателя и преобразователя. Нижний предел регулирования частоты вращения двигателя при таком алгоритме, как правило,  составляет около 10% от номинальной скорости. Название «скалярное управление» вошло в технический обиход для противопоставления его векторному режиму работы преобразователя.
Векторное управление без датчика скорости (так называемое управление SVC — Sensorless vector control) является усовершенствованным методом управления асинхронными двигателями. При таком управлении микропроцессор преобразователя производит вычисление вектора магнитного потока, значений скорости и вращающего момента подключенного электродвигателя. Вычисления выполняются с  использованием данных измерения напряжения и тока двигателя. Для того, чтобы вычисления были корректными необходимо использовать также данные о параметрах подключенного электродвигателя (его сопротивления, индуктивности и пр.). Часть данных вводится в память преобразователя из паспортной таблички («шильдика») двигателя, значения других параметров определяет сам преобразователь, используя специальную предварительную процедуру настройки на конкретный двигатель. В процессе работы, после того, как микропроцессор произведет расчеты, вычисленные значения скорости или момента сравниваются с заданными значениями и по их рассогласованию формируется напряжение, подаваемое на двигатель с помощью инвертора преобразователя. Все векторные преобразователи могут работать, как в векторном, так и в скалярном режимах.
Преимущества, которые обеспечивает векторное управление SVC, следующие:

• Значительно более широкий диапазон регулирования скорости вращения по сравнению со скалярным управлением. Диапазон может достигать значение 1:100. То есть при задании скорости 1% от номинального значения, вращение двигателя будет сохраняться независимо от того, какую нагрузку он испытывает. У двигателей малой мощности (до 0,55 кВт) этот диапазон, как правило, несколько ниже — 1:50.

• Ток двигателя, а, следовательно, и потери мощности в нем, на малых скоростях вращения меньше, чем при скалярном управлении.

• Возможность работы в режиме регулирования вращающего момента на валу асинхронного электродвигателя (при скоростях, отличающихся от нулевой).

Независимо от того, какой режим — векторный или скалярный используется преобразователем для управления асинхронным двигателем, всегда необходимо обеспечить условия охлаждения этого электродвигателя. Ситуация с перегревом двигателя может возникнуть в длительном режиме работы на малых скоростях (до 50% от номинальной скорости). В этом случае необходимо устанавливать принудительное охлаждение двигателя с помощью дополнительного вентилятора.
Следует помнить, что при векторном режиме к преобразователю нельзя подключать группу двигателей, а при замене двигателя следует проводить настройку преобразователя под этот конкретный двигатель.
Некоторые наши преобразователи частоты  Преобразователи частоты Intekс мощностью более 5,5 кВт позволяют работать в режиме с датчиком обратной связи (энкодер, резольвер) на валу двигателя. Это позволяет обеспечить работоспособность привода с диапазоном регулирования скорости 1:1000.

Тормозной резистор
Тормозной резистор необходим для рассеивания энергии, которая поступает от двигателя к преобразователю. Двигатель, в этом случае, работает в генераторном режиме работы. Такой режим может возникать при торможении инерционных масс нагрузки или при опускании груза в подъёмно-транспортном механизме. В этих случаях двигатель, как бы, опережает ту скорость, с которой он должен вращаться. Нагрузка «подталкивает» ротор двигателя, помогает ему вращаться. Энергия, идущая от двигателя к преобразователю, накапливается в звене постоянного тока этого преобразователя и может привести к недопустимому перенапряжению на конденсаторах. Для того, что бы этого не происходило в преобразователях, как правило, имеется дополнительный, тормозной транзистор (тормозной прерыватель, 7-ой транзистор), который в нужный момент подключает тормозной резистор к звену постоянного тока. И «лишняя» энергия, нагревая резистор, превращается в тепло.

Выбор преобразователя частоты для конкретного применения
При выборе преобразователя частоты для определенного двигателя необходимо чтобы номинальный ток преобразователя частоты был не меньше, чем номинальный ток двигателя. Напряжение на выходе преобразователя частоты должно соответствовать напряжению двигателя. Также необходимо проверить максимально допустимый кратковременный ток выдаваемый преобразователем частоты, чтобы обеспечить требуемую перегрузочную способность двигателя. Приведем ниже примеры выбора преобразователя по перегрузочной способности. (В каждом отдельном случае вопрос должен решаться индивидуально).

Наименование области применения регулируемого привода	Перегрузочная способность преобразователя	Примечания, рекомендации
Центробежные насосы, вентиляторы	120% в течении 1 минуты	Преобразователь частоты можно брать с номинальной мощностью на шаг ниже мощности двигателя и переводить его в режим работы с облегченной нагрузкой
Транспортные механизмы, конвейеры, подавляющее число других применений	150% в течении 1 минуты	—
Экструдеры, главный привод металлорежущего станка и т.п.	200% в течении 1 минуты	Преобразователь частоты следует брать с номинальной мощностью на шаг выше мощности двигателя и проводить настройку токовых защит и токоограничений в преобразователе, согласно данным паспортной таблички двигателя и требуемым перегрузкам

Особенности преобразователя частоты для высокоскоростного электрошпинделя
Поскольку высокоскоростные электрошпиндели работают при высоких частотах 200-2000 Гц, то для обеспечения работы двигателя необходимо, чтобы несущая частота (ШИМ) преобразователя частоты была, на порядок (в 10 раз) выше номинальной частоты двигателя. Например, если шпиндель имеет номинальную частоту 400 Гц, то преобразователь частоты должен иметь настройку несущей частоты ШИМ 4 кГц и более. Следует помнить, что при большой частоте ШИМ потери энергии в силовых транзисторах увеличиваются и в отдельных случаях, требуется увеличение установочной мощности преобразователя.

Предельные частоты работы асинхронного привода
Ниже речь пойдет о приводе, состоящем из асинхронного двигателя с номинальной частотой 50 Гц и преобразователя частоты.
В практических применениях выходную частоту преобразователя редко поднимают выше 70 Гц. Это связано в первую очередь с тем, что роторы двигателей на заводе-изготовителе проходят балансировку (если проходят) на частоте 50 Гц и большой подъём частоты может привести к недопустимым вибрациям и даже к механическим повреждениям двигателя и его обмоток. Также на повышенной частоте вращения увеличиваются тепловые потери в стали. Однако, из-за увеличения интенсивности обдува вентилятором, данные потери, как правило, не приводят к перегреву двигателя.
Следует помнить, что развиваемый двигателем момент падает при частотах вращения выше, чем номинальная частота. Это связано с «нехваткой» напряжения на выходе преобразователя и, как следствие, с так называемым, размагничиванием асинхронного двигателя. Приблизительно можно считать, что уменьшение вращающего момента происходит обратно-пропорционально увеличению частоты над номинальным значением. (То есть при 70 Гц вращающий момент двигателя составляет примерно 72% от своего номинального значения).

servosystem.ru

Основные способы управления частотным электроприводом

Согласно последним данным статистики примерно 70% всей выработанной электроэнергии в мире потребляет электропривод. И с каждым годом этот процент растет.

При правильно подобранном способе управления электродвигателем возможно получение максимального КПД, максимального крутящего момента на валу электромашины, и при этом повысится общая производительность механизма. Эффективно работающие электродвигатели потребляют минимум электроэнергии и обеспечивают максимальную экономичность.

Для электродвигателей, работающих от преобразователя частоты ПЧ, эффективность во многом будет зависеть от выбранного способа управления электрической машиной. Только поняв достоинства каждого способа, инженеры и проектировщики систем электроприводов смогут получить максимальную производительность от каждого способа управления.
Содержание:

Способы контроля

Многие люди, работающие в сфере автоматизации, но не сталкивающиеся вплотную с процессами разработки и внедрения систем электроприводов полагают, что управление электродвигателем состоит из последовательности команд, вводимых с помощью интерфейса от пульта управления или ПК. Да, с точки зрения общей иерархии управления автоматизированной системой это правильно, однако есть еще способы управления самим электродвигателем. Именно эти способы и будут оказывать максимальное влияние на производительность всей системы.

Для асинхронных электродвигателей, подключенных к преобразователю частоты, существует четыре основных способа управления:

• U/f – вольт на герц;
• U/f с энкодером;
• Векторное управление с разомкнутым контуром;
• Векторное управление с замкнутым контуром;

Все четыре метода используют широтно-импульсную модуляцию ШИМ, которая изменяет ширину фиксированного сигнала путем изменения длительности импульсов для создания аналогового сигнала.

Широтно-импульсная модуляция применяется к преобразователю частоты путем использования фиксированного напряжения шины постоянного тока. Транзисторы с изолированным затвором (IGBT) путем быстрого открытия и закрытия (правильней сказать коммутации) генерируют выходные импульсы. Варьируя ширину этих импульсов на выходе получают «синусоиду» нужной частоты. Даже если форма выходного напряжения транзисторов импульсная, то ток все равно получается в виде синусоиды, так как электродвигатель имеет индуктивность, которая влияет на форму тока. Все методы управления основываются на ШИМ модуляции. Разница между методами управления заключается лишь в методе вычисления подаваемого напряжения на электродвигатель.

В данном случае несущая частота (показана красным) представляет собой максимальную частоту коммутации транзисторов. Несущая частота для инверторов, как правило, лежит в пределах 2 кГц – 15 кГц. Опорная частота (показана синим) представляет собой сигнал задания выходной частоты. Для инверторов применимых в обычных системах электроприводов, как правило, лежит в пределах 0 Гц – 60 Гц. При накладывании сигналов двух частот друг на друга, будет выдаваться сигнал открывания транзистора (обозначен черным цветом), который подводит силовое напряжение к электродвигателю.

Способ управления U/F

Управление вольт-на-герц, наиболее часто называемое как U/F, пожалуй, самый простой способ регулирования. Он часто используется в несложных системах электропривода из-за своей простоты и минимального количества необходимых для работы параметров. Такой способ управления не требует обязательной установки энкодера и обязательных настроек для частотно-регулируемого электропривода (но рекомендовано). Это приводит к меньшим затратам на вспомогательное оборудование (датчики, провода обратных связей, реле и так далее). Управление U/F довольно часто применяют в высокочастотном оборудовании, например, его часто используют в станках с ЧПУ для привода вращения шпинделя.

Модель с постоянным моментом вращения имеет постоянный вращающий момент во всем диапазоне скоростей при одинаковом соотношении U/F. Модель с переменным соотношением вращающего момента имеет более низкое напряжение питания на низких скоростях. Это необходимо для предотвращения насыщения электрической машины.

U/F  — это единственный способ регулирования скорости асинхронного электродвигателя, который позволяет регулирование нескольких электроприводов от одного преобразователя частоты. Соответственно все машины запускаются и останавливаются одновременно и работают с одной частотой.

Но данный способ управления имеет несколько ограничений. Например, при использовании способа регулирования U/F без энкодера нет абсолютно никакой уверенности, что вал асинхронной машины вращается. Кроме того, пусковой момент электрической машины при частоте 3 Гц ограничивается 150%. Да, ограниченного крутящего момента более чем достаточно для применения в большинстве существующего оборудования. Например, практически все вентиляторы и насосы используют способ регулирования U/F.

Данный метод относительно прост из-за его более «свободной» спецификации. Регулирование скорости, как правило, лежит в диапазоне 2% — 3% максимальной выходной частоты. Отклик по скорости рассчитывается на частоту свыше 3 Гц. Скорость реагирования частотного преобразователя определяется быстротой его реакции на изменение опорной частоты. Чем выше скорость реагирования – тем быстрее будет реакция электропривода на изменение задания скорости.

Диапазон регулирования скорости при использовании способа U/F составляет 1:40. Умножив это соотношение на максимальную рабочую частоту  электропривода, получим значение минимальной частоты, на которой сможет работать электрическая машина. Например, если максимальное значение частоты 60 Гц, а диапазон составляет 1:40, то минимальное значение частоты составит 1,5 Гц.

Паттерн U/F определяет соотношение частоты и напряжения в процессе работы частотно-регулируемого электропривода. Согласно ему, кривая задания скорости вращения (частота электродвигателя) будет определять помимо значения частоты еще и значения напряжения, подводимого к клеммам электрической машины.

Операторы и технические специалисты могут выбрать необходимый шаблон регулирования U/F одним параметром в современном частотном преобразователе. Предустановленные шаблоны уже оптимизированы под конкретные применения. Также существуют возможности создания своих шаблонов, которые будут оптимизироваться под конкретную систему частотно-регулируемого электропривода или электродвигателя.

Такие устройства как вентиляторы или насосы имеют момент нагрузки, который зависит от скорости их вращения. Переменный крутящий момент (рисунок выше) шаблона U/F предотвращает ошибки регулирования и повышает эффективность. Эта модель регулирования уменьшает токи намагничивания на низких частотах за счет снижения напряжения на электрической машине.

Механизмы с постоянным крутящим моментом, такие как конвейеры, экструдеры и другое оборудование используют способ регулирования с постоянным моментом. При постоянной нагрузке необходим полный ток намагничивания на всех скоростях. Соответственно характеристика имеет прямой наклон во всем диапазоне скоростей.

Способ управления U/F с энкодером

Если необходимо повысить точность регулирования скорости вращения в систему управления добавляют энкодер. Введение обратной связи по скорости с помощью энкодера позволяет повысить точность регулирования до 0,03%. Выходное напряжение по-прежнему будет определятся заданным шаблоном U/F.

Данный способ управления не получил широкого применения, так как представляемые им преимущества по сравнению со стандартными функциями U/F минимальны. Пусковой момент, скорость отклика и диапазон регулирования скорости – все идентично со стандартным U/F. Кроме того, при повышении рабочих частот могут возникнуть проблемы с работой энкодера, так как он имеет ограниченное количество оборотов.

Векторное управление без обратной связи

Векторное управление (ВУ) без обратной связи используется для более широкого и динамичного регулирования скорости электрической машины. При пуске от преобразователя частоты электродвигатели могут развивать пусковой момент в 200% от номинального при частоте всего 0,3 Гц. Это значительно расширяет перечень механизмов, где может быть применен асинхронный электропривод с векторным управлением. Этот метод также позволяет управлять моментом машины во всех четырех квадрантах.

Ограничение вращающего момента осуществляется двигателем. Это необходимо для предотвращения повреждения оборудования, машин или продукции. Значение моментов разбивают на четыре различных квадранта, в зависимости направления вращения электрической машины (вперед или назад) и в зависимости от того, реализует ли электродвигатель режим рекуперативного торможения. Ограничения могут устанавливаться для каждого квадранта отдельно или же пользователь может задать общий вращающий момент в преобразователе частоты.

Двигательный режим асинхронной машины будет при условии, что магнитное поле ротора отстает от магнитного поля статора. Если магнитное поле ротора начнет опережать магнитное поле статора, то тогда машина войдет в режим рекуперативного торможения с отдачей энергии, проще говоря – асинхронный двигатель перейдет в генераторный режим.

Например, машина по закупорке бутылок может использовать ограничение момента в квадранте 1 (направление вперед с положительным моментом) для предотвращения чрезмерного затягивания крышки бутылки. Механизм производит движение вперед и использует положительный момент для того, чтобы закрутить крышку бутылки. А вот устройство, такое как лифт, с противовесом тяжелее, чем пустая кабина, будет использовать квадрант 2 (обратное вращение и положительный момент). Если кабина подымается на верхний этаж, то крутящий момент будет противоположен скорости. Это необходимо для ограничения скорости подъема и недопущения свободного падения противовеса, так как он тяжелее, чем кабина.

Обратная связь по току в данных преобразователях частоты ПЧ позволяет устанавливать ограничения по моменту и току электродвигателя, поскольку при увеличении тока растет и момент. Выходное напряжение ПЧ может изменятся в сторону увеличения, если механизм требует приложения большего крутящего момента, или уменьшатся, если достигнуто его предельно допустимое значение. Это делает принцип векторного управления асинхронной машиной более гибким и динамичным по сравнению с принципом U/F.

Также частотные преобразователи с векторным управлением и разомкнутым контуром имеют более быстрый отклик по скорости – 10 Гц, что делает возможным его применение в механизмах с ударными нагрузками. Например, в дробилках горной породы нагрузка постоянно меняется и зависит от объема и габаритов обрабатываемой породы.

В отличии от шаблона управления U/F векторное управление использует векторный алгоритм, для определения максимально эффективного напряжения работы электродвигателя.

Векторное управления ВУ решает данную задачу благодаря наличию обратной связи по току двигателя. Как правило, обратная связь по току формируется внутренними трансформаторами тока самого преобразователя частоты ПЧ. Благодаря полученному значению тока преобразователь частоты проводит вычисления вращающего момента и потока электрической машины. Базовый вектор тока двигателя математически расщепляется на вектор тока намагничивания (I_d) и крутящего момента (I_q).

Используя данные и параметры электрической машины ПЧ вычисляет векторы тока намагничивания (I_d) и крутящего момента (I_q). Для достижения максимальной производительности, преобразователь частоты должен держать I_d и I_q разведенными на угол 90⁰. Это существенно, так как sin 90⁰ = 1, а значение 1 представляет собой максимальное значение крутящего момента.

В целом векторное управление асинхронным электродвигателем осуществляет более жесткий контроль. Регулирование скорости составляет примерно ±0,2% от максимальной частоты, а диапазон регулирования достигает 1:200, что позволяет сохранять вращающий момент при работе на низких скоростях.

Векторное управление с обратной связью

Векторное управление с обратной связью использует тот же алгоритм управления, что и ВУ без обратной связи. Основное различие заключается в наличии энкодера, что дает возможность частотно-регулируемому электроприводу развивать 200% пусковой момент при скорости 0 об/мин. Этот пункт просто необходим для создания начального момента при трогании с места лифтов, кранов и других подъемных машин, чтоб не допустить просадки груза.

Наличие датчика обратной связи по скорости позволяет увеличить время отклика системы более 50 Гц, а также расширить диапазон регулирования скорости до 1:1500. Также наличие обратной связи позволяет управлять не скоростью электрической машиной, а моментом. В некоторых механизмах именно значение момента имеет большую важность. Например, мотальная машина, механизмы закупорки и другие. В таких устройствах необходимо регулировать момент машины.

elenergi.ru