Setting96.ru

Строительный журнал
33 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Частотный преобразователь

Частотный преобразователь

Согласно ГОСТ 23414-84 полупроводниковый преобразователь частоты — полупроводниковый преобразователь переменного тока, осуществляющий преобразование переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты

Частотный преобразователь — это устройство, используемое для того чтобы обеспечить непрерывное управление процессом. Обычно частотный преобразователь способен управлять скоростью и моментом асинхронных и/или синхронных двигателей.

Частотный преобразовател небольшой мощности

Высоковольтный преобразователь

Преобразователи частоты находят все более широкое применение в различных приложениях промышленности и транспорта. Благодаря развитию силовых полупроводниковых элементов, инверторы напряжения и инверторы тока с ШИМ управлением получают все более широкое распространение. Устройства, которые преобразуют постоянный сигнал в переменный, с желаемым напряжением и частотой, называются инверторами. Такое преобразование может быть осуществлено с помощью электронных ключей (BJT, MOSFET, IGBT, MCT, SIT, GTO) и тиристоров в зависимости от задачи.

На данный момент основная часть всей производимой электрической энергии в мире используется для работы электрических двигателей. Преобразование электрической мощности в механическую мощность осуществляется с помощью электродвигателей мощностью от меньше ватта до нескольких десятков мегаватт.

    Современные электроприводы должны отвечать различным требованиям таким как:
  • максимальный КПД;
  • широкий диапазон плавной установки скорости вращения, момента, ускорения, угла и линейного положения;
  • быстрое удаление ошибок при изменении управляющих сигналов и/или помех;
  • максимальное использование мощности двигателя во время сниженного напряжения или тока;
  • надежность, интуитивное управление.

Конструкция частотного преобразователя

Основными элементами частотного преобразователя являются силовая часть (преобразователь электрической энергии) и управляющее устройство (контроллер). Современные частотные преобразователи обычно имеют модульную архитектуру, что позволяет расширять возможности устройства. Также зачастую имеется возможность установки дополнительных интерфейсных модулей и модулей расширения каналов ввода/вывода.

Функциональная схема частотного преобразователя Обозначения блоков на функциональной схеме ЧП

Методы управления

Инвертор напряжения

Инвертор напряжения наиболее распространен среди силовых преобразователей.

Двухуровневый инвертор напряжения

Двухуровневый инвертор напряжения (two-level voltage-source inverter) – наиболее широко применяемая топология преобразователя энергии. Он состоит из конденсатора и двух силовых полупроводниковых ключей на фазу. Управляющий сигнал для верхнего и нижнего силовых ключей связан и генерирует только два возможных состояния выходного напряжения (нагрузка соединяется с положительной или отрицательной шиной источника постоянного напряжения).

Схема двухуровневого инвертора напряжения

Осциллограмма двухуровневого инвертора напряжения

Используя методы модуляции для генерирования управляющих импульсов возможно синтезировать выходное напряжение с желаемыми параметрами (формой, частотой, амплитудой). Из-за содержания высоких гармоник в выходном сигнале для генерирования синусоидальных токов выходной сигнал необходимо фильтровать, но так как данные преобразователи обычно имеют индуктивную нагрузку (электродвигатели) дополнительные фильтры используются только при необходимости.

Максимальное выходное напряжение определяется значением постоянного напряжения звена постоянного тока. Для эффективного управления мощной нагрузкой требуется высокое постоянное напряжение звена постоянного тока, но на практике это напряжение ограничено максимальным рабочим напряжением полупроводников. Для примера низковольтные IGBT транзисторы обеспечивают выходное напряжение до 690 В. Для того чтобы обойти данное ограничение по напряжению в последние десятилетия были разработаны схемы многоуровневых преобразователей. Данные преобразователи сложнее, чем двухуровневые в плане топологии, модуляции и управления, но при этом имеют лучшие показатели по мощности, надежности, габаритам, производительности и эффективности.

Трехуровневый преобразователь с фиксированной нейтральной точкой

В трехуровневом преобразователе с фиксированной нейтральной точкой (three-level neutral point clamped converter) постоянное напряжение делится поровну посредством двух конденсаторов, поэтому фаза может быть подключена к линии положительного напряжения (посредством включения двух верхних ключей), к средней точке (посредством включения двух центральных ключей) или к линии отрицательного напряжения (посредством включения двух нижних ключей). Каждому ключу в данном случае требуется блокировать только половину напряжения звена постоянного тока, тем самым позволяя увеличить мощность устройства, используя те же самые полупроводниковые ключи, как и в обычном двухуровневом преобразователе. В данном преобразователе обычно используются высоковольтные IGBT транзисторы и IGCT тиристоры.

Схема трехуровневого преобразователя с фиксированной нейтральной точкой

    Недостатками данных преобразователей являются:
  • Дисбаланс конденсаторов, создающий асимметрию в преобразователе. Данную проблему предлагается решать путем изменения метода модуляции.
  • Неравное распределение потерь из-за того, что потери на переключение внешних и центральных ключей отличаются в зависимости от режима работы. Данная проблема не может быть решена с использованием обычной схемы, поэтому была предложена измененная топология – активный преобразователь со связанной нейтральной точкой (active NPC). В этой схеме диоды заменены управляемыми ключами. Таким образом, выбирая соответствующую комбинацию ключей, возможно уменьшить и равномерно распределить потери.

Фазное напряжение трехуровневого преобразователя с фиксированной нейтральной точкой

Преобразователь с фиксированной нейтральной точкой может масштабироваться для достижения больше чем трех уровней выходного сигнала путем деления напряжения звена постоянного тока более чем на два значения посредством конденсаторов. Каждое из этих деленных напряжений может быть подключено к нагрузке с использованием расширенного набора ключей и ограничительных диодов. Вместе с увеличением мощности преимуществами многоуровневого преобразователя является лучшее качество электроэнергии, меньшее значение скорости нарастания напряжения (dv/dt) и связанных электромагнитных помех. Однако, когда преобразователь со связанной нейтральной точкой имеет более трех уровней, появляются другие проблемы. С точки зрения схемотехники в таком случае ограничительные диоды требуют более высокое максимальное рабочее напряжение чем основные ключи, что требует использования различных технологий или нескольких ограничительных диодов соединенных последовательно. В дополнение становится критическим неравномерное использование силовых элементов в схеме. В итоге из-за увеличения количества элементов снижается надежность. Приведенные недостатки ограничивают использование преобразователей с фиксированной нейтральной точкой с более чем тремя уровнями в промышленных приложениях.

Многоуровневые преобразователи

Каскадные преобразователи основанные на модульных силовых ячейках со схемой H-мост (cascaded H-bridge — CHB) и преобразователи с плавающими конденсаторами (flying capacitor converter) были предложены для обеспечения большего количества уровней выходного напряжения в сравнении с преобразователями с фиксированной нейтральной точкой.

Каскадный Н-мостовой преобразователь

Каскадный преобразователь — высоко модульный преобразователь, состоящий из нескольких однофазных инверторов, обычно называемыми силовыми ячейками, соединенными последовательно для формирования фазы. Каждая силовая ячейка выполнена на стандартных низковольтных компонентах, что обеспечивает их легкую и дешевую замену в случае выхода из строя.

Схема каскадного преобразователя

Основным преимуществом данного преобразователя является использование только низковольтных компонентов, при этом он дает возможность управлять мощной нагрузкой среднего диапазона напряжения. Несмотря на то что частота коммутации в каждой ячейке низкая, эквивалентная частота коммутации приложенная к нагрузке – высокая, что уменьшает потери на переключение ключей, дает низкую скорость нарастания напряжения (dv/dt) и помогает избежать резонансов.

Фазное напряжение каскадного преобразователя

Преобразователь с плавающими конденсаторами

Выходное напряжение преобразователя с плавающими конденсаторами получается путем прямого соединения выхода фазы с положительной, отрицательной шиной или подключением через конденсаторы. Количество уровней выходных напряжений зависит от количества навесных конденсаторов и отношения между различными напряжениями.

Схема преобразователя с плавающими конденсаторами

Этот преобразователь, как и в случае каскадного преобразователя, также имеет модульную топологию, где каждая ячейка состоит из конденсатора и двух связанных ключей. Однако, в отличие от каскадного преобразователя добавление дополнительных силовых ключей к конденсаторному преобразователю не увеличивает номинальную мощность преобразователя, а только уменьшает скорость нарастания напряжения (dv/dt), улучшая коэффициент гармоник выходного сигнала. Как и у каскадного преобразователя, модульность уменьшает стоимость замены элементов, облегчает поддержку и позволяет реализовать отказоустойчивую работу.

Фазное напряжение преобразователя с плавающими конденсаторами

Конденсаторный преобразователь требует только один источник постоянного тока для питания всех ячеек и фаз. Поэтому, можно обойтись без входного трансформатора, а количество ячеек может быть произвольно увеличено в зависимости от требуемой выходной мощности. Подобно преобразователю с фиксированной нейтральной точкой, этому преобразователю требуется специальный алгоритм управления для регулирования напряжения на конденсаторах.

Инвертор тока

Для работы инвертору тока всегда требуется управляемый выпрямитель, чтобы обеспечить постоянный ток в звене постоянного тока. В стандартной топологии обычно используются тиристорные выпрямители. Чтобы уменьшить помехи в нагрузке, в звене постоянного тока используется расщепленная индуктивность. Инвертор тока имеет схему силовых ключей наподобие инвертора напряжения, но в качестве силовых ключей используются тиристоры с интегрированным управлением (IGCT). Выходной ток имеет форму ШИМ и не может быть напрямую приложен к индуктивной нагрузке (электродвигателю), поэтому инвертор тока обязательно включает выходной емкостной фильтр, который сглаживает ток и выдает гладкое напряжение на нагрузку. Этот преобразователь может быть реализован для работы на средних напряжениях и более того он по природе имеет возможность рекуперации энергии.

Схема инвертора тока с выпрямителем

Прямые преобразователи

Прямые преобразователи передают энергию прямо от входа к выходу без использования элементов накопления энергии. Основным преимуществом таких преобразователей является меньшие габариты. Недостатком – необходимость более сложной схемы управления.

Циклоконвертер относится к категории прямых преобразователей. Данный преобразователь широко использовался в приложениях требующих высокую мощность. Этот конвертер состоит из двойных тиристорных преобразователей на фазу, который может генерировать изменяемое постоянное напряжение, контролируемое таким образом, чтобы следовать опорному синусоидальному сигналу. Вход каждого преобразователя питается от фозосмещающего трансформатора, где устраняются гармоники входного тока низкого порядка. Выходное напряжение является результатом комбинации сегментов входного напряжения в котором основная гармоника следует за опорным сигналом. По своей природе данный преобразователь хорошо подходит для управления низкочастотными мощными нагрузками.

Схема циклоконвертера

Матричный преобразователь в его прямой и непрямой версии также принадлежит к категории прямых преобразователей. Основной принцип работы прямого матричного преобразователя (direct matrix converter) — возможность соединения выходной фазы к любому из входных напряжений. Преобразователь состоит из девяти двунаправленных ключей, которые могут соединить любую входную фазу с любой выходной фазой, позволяя току течь в обоих направлениях. Для улучшения входного тока требуется индуктивно-емкостной фильтр второго порядка. Выход напрямую соединяется с индуктивной нагрузкой. Не все доступные комбинации ключей возможны, они ограничены только 27 правильными состояниями коммутации. Как говорилось ранее, основное преимущество матричных преобразователей — меньшие габариты, что важно для автомобильных и авиационных приложений.

Схема прямого матричного преобразователя

Непрямой матричный преобразователь (indirect matrix converter) состоит из двунаправленного трехфазного выпрямителя, виртуального звена постоянного тока и трехфазного инвертора. Количество силовых полупроводников такое же как у прямых матричных преобразователей (если двунаправленный ключ рассматривается как два однонаправленных ключа), но количество возможных состояний включения отличается. Используя ту же самую конфигурацию непрямого матричного преобразователя, возможно упростить его топологию и уменьшить количество элементов ограничив его работу от положительного напряжения в виртуальном звене постоянного тока. Уменьшенная топология называется разреженный матричный преобразователь (sparse matrix converter).

Принцип работы частотного преобразователя и критерии его выбора для потребителя

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором является сегодня самым массовым и надежным устройством для привода различных машин и механизмов. Но у каждой медали есть и обратная сторона.

Два основных недостатка асинхронного двигателя – это невозможность простой регулировки скорости вращения ротора, очень большой пусковой ток — в пять, семь раз превышающий номинальный. Если использовать только механические устройства регулирования, то указанные недостатки приводят к большим энергетическим потерям и к ударным механическим нагрузкам. Это крайне отрицательно сказывается на сроке службы оборудования.

Частотный преобразователь

В результате исследовательских работ в этом направлении родился новый класс приборов, позволивший решить эти проблемы не механическим, а электронным способом.

Частотный преобразователь с широтно–импульсным управлением (ЧП с ШИМ) снижает пусковые токи в 4-5 раз. Он обеспечивает плавный пуск асинхронного двигателя и осуществляет управление приводом по заданной формуле соотношения напряжение / частота.

Частотный преобразователь дает экономию по потреблению энергии до 50%. Появляется возможность включения обратных связей между смежными приводами, т.е. самонастройки оборудования под поставленную задачу и изменение условий работы всей системы.

Принцип работы частотного преобразователя

Частотный преобразователь с ШИМ представляет собой инвертор с двойным преобразованием напряжения. Сначала сетевое напряжение 220 или 380 В выпрямляется входным диодным мостом, затем сглаживается и фильтруется с помощью конденсаторов.

Это первый этап преобразования. На втором этапе из постоянного напряжения, с помощью микросхем управления и выходных мостовых IGBT ключей, формируется ШИМ последовательность определенной частоты и скважности. На выходе частотного преобразователя выдаются пачки прямоугольных импульсов, но за счет индуктивности обмоток статора асинхронного двигателя, они интегрируются и превращаются наконец в напряжение близкое к синусоиде.

Критерии выбора частотных преобразователей

Выбор по функциям

Каждый производитель пытается обеспечить себе конкурентное превосходство на рынке. Первое правило для обеспечения максимума продаж – это низкая цена. Поэтому производитель стремиться включить в свое изделие только необходимые функции. А остальные предлагает в качестве опций. Прежде чем купить частотный преобразователь, определитесь, какие функции вам нужны. Стоит выбирать тот прибор, который имеет большинство необходимых функций в базовом варианте.

По способу управления

Сразу отбрасывайте те преобразователи, которые не подходят по мощности, типу исполнения, перегрузочной способности и т.д. По типу управления, нужно определиться, что выбрать, скалярное или векторное управление.

Большинство современных частотных преобразователей реализуют векторное управление, но такие частотные преобразователи дороже, чем частотные преобразователи со скалярным управлением.

Векторное управление дает возможность более точного управления, снижая статическую ошибку. Скалярный режим только поддерживает постоянное соотношение между выходным напряжение и выходной частотой, но например, для вентиляторов это вполне достаточно.

По мощности

Если мощности оборудования примерно одинаковы, то выбирайте преобразователи одной фирмы с мощностью по мощности максимальной нагрузки. Так вы обеспечите взаимозаменяемость и упростите обслуживание оборудования. Желательно, чтобы сервис центр выбранного частотного преобразователя был в вашем городе.

По сетевому напряжению

Всегда выбирайте преобразователь с максимально широким диапазоном напряжений как вниз, так и вверх. Дело в том, что для отечественных сетей само слово стандарт может вызвать только смех сквозь слезы. Если пониженное напряжение приведет, скорее всего, к отключению частотного преобразователя, то повышенное может вызвать взрыв сетевых электролитических конденсаторов и входу прибора из строя.

По диапазону регулировки частоты

Частотный преобразователь Верхней предел регулировки частоты важен при использовании двигателей с высокими номинальными рабочими частотами, например для шлифовальных машин ( 1000 Гц и более). Убедитесь, что диапазон частот соответствует вашим потребностям. Нижний предел определяет диапазон регулирования скорости привода. Стандарт – это 1:10. Если вам нужен более широкий диапазон, то выбирайте только векторное управление, запросите параметры привода у производителя. Даже заявленный предел от 0 Гц, не гарантирует устойчивую работу привода.

По количеству входов управления

Дискретные входы нужны для ввода команд управления ( пуск, стоп, реверс, торможение и т.д.). Аналоговые входы необходимы для ввода сигналов обратной связи (регулировки и настройки привода в процессе работы). Цифровые входы нужны для ввода высокочастотных сигналов от цифровых датчиков скорости и положения (энкодеров). Количество входов много не бывает, но чем больше входов, тем сложнее систему можно построить, и тем она дороже.

По количеству выходных сигналов

Дискретные выходы используются для выхода сигналов о различных событиях (авария, перегрев, входное напряжение выше или ниже уровня, сигнал ошибки ит.д.). Аналоговые выходы используются для построения сложных систем с обратными связями. Рекомендации по выбору аналогичны предыдущему пункту.

По шине управления

Оборудование, с помощью которого вы будете управлять частотным преобразователем должно иметь ту же шину и количество входов выходов что и выбранный вами частотный преобразователь. Предусмотрите некоторый запас по входам и выходам для дальнейшей модернизации.

По сроку гарантии

Срок гарантии косвенно позволяет оценить надежность частотного преобразователя. Естественно, нужно выбирать частотный преобразователь с большим сроком. Некоторые производители оговаривают особо случаи поломок, которые не являются гарантийными. Всегда тщательно читайте документацию и посмотрите в интернете отзывы о моделях и производителях оборудования. Это поможет правильному выбору. Не жалейте денег на качественный сервис и обучение персонала.

По перегрузочным способностям

В первом приближении, мощность частотного преобразователя нужно выбирать на 10-15% больше мощности двигателя. Ток преобразователя должен быть больше номинального тока двигателя и чуть больше тока возможных перегрузок.

В описании на конкретный механизм обычно указывают токи перегрузок и длительность их протекания. Читайте документацию! Это вас развлечет, и возможно, обезопасит от поломок оборудования в будущем. Если для привода характерны еще и ударные (пиковые) нагрузки (нагрузки в течении 2-3 сек), то необходимо выбрать преобразователь по пиковому току. Опять возьмите запас 10%.

Принцип работы и разновидности преобразователей напряжения

Любой преобразователь напряжения – это электротехническое или электронное устройство, способное изменять его величину на требуемое значение. Этот прибор особо востребован в ситуациях, когда к сети необходимо подключить нагрузку с различными номиналами напряжений. Причем они могут не только понижать значение этого параметра, но и повышать.

Принцип работы

Основное требование, определяющее принцип работы преобразователей напряжения – возможность передать на выход полезную мощность с минимальными потерями (обеспечить максимальный КПД). Для этого в них нередко используются экономичные с точки зрения потерь модули, например, электронные инверторы. Электрический преобразователь напряжения, построенный по трансформаторной схеме – наиболее удобен для рассмотрения принципа работы. Суть его функционирования состоит в следующем:

  • на вход устройства потенциал поступает с генератора переменного напряжения или подобного ему источника тока;
  • схожий по форме сигнал снимается с выхода трансформатора (с его вторичной обмотки);
  • при необходимости переменное выходное напряжение сначала выпрямляется специальным диодным блоком, а затем стабилизируется.

Добиться нужной эффективности от такой схемы очень сложно, поскольку в обмотках трансформатора теряется часть передаваемой мощности (из-за теплового рассеивания).

Чтобы получить от устройства высокий КПД, на выходе трансформатора устанавливаются ключевые схемы, работающие в экономичном режиме. При их работе, основанной на скоростном переключении транзисторов из закрытого состояния в открытое, потери мощности в обмотках существенно снижаются.

В преобразователях напряжения, рассчитанных на работу с высоковольтными источниками питания, традиционно используется явление самоиндукции. Она реализуется в выходных ферритовых сердечниках при резком прерывании тока в первичной обмотке. В качестве такого прерывателя используются все те же транзисторы, а получаемое на выходе импульсное напряжение затем выпрямляется. Такие схемы позволяют получать высокие потенциалы порядка нескольких десятков кВ. Они используются в цепях питания уже устаревших электронно-лучевых трубок, а также в телевизионных кинескопах. В этом случае удается получать неплохой КПД (до 80%).

Области применения

Сфера применения многозонных преобразователей напряжения очень обширна. Они традиционно используются в следующих целях:

  • в линейных устройствах для распределения и передачи электроэнергии;
  • для проведения таких ответственных технологических операций, как сварка, термическая обработка и им подобных;
  • при необходимости электроснабжения нагрузочных цепей в самых различных областях техники.

В первом случае вырабатываемая на электростанциях ЭДС повышается с помощью этих устройств с 6-24 кВ до 110-220 кВ – в таком виде ее легче «перегонять» по проводам на дальние расстояния. На районных подстанциях уже другие трансформаторные устройства обеспечивают ее снижение сначала до 10 (6,3) кВ, а затем – до привычных 380 Вольт.

При обслуживании технологического оборудования преобразователи напряжения применяются в качестве электротермических установок или сварочных трансформаторов.

В промышленности

Самая обширная область применения – обеспечение качественным питанием следующих промышленных образцов потребителей:

  • аппаратуры, работающей в линиях автоматического управления и контроля;
  • устройств телекоммуникации и связи;
  • широкого спектра электроизмерительных приборов;
  • специального радио- и телевизионного оборудования и тому подобное.

Особую функцию выполняют так называемые «разделительные» трансформаторы, используемые для развязки нагрузочных линий от высоковольтного входа.

Поскольку такие преобразователи «играют вспомогательную роль», чаще всего они имеют небольшую мощность и сравнительно малые размеры.

В быту, медицине и оборонной промышленности

Достаточно широко применяются преобразователи напряжения и в быту. На их основе построено большинство БП, используемых для зарядки бытовой техники, а также более сложных устройств типа:

  • стабилизаторы напряжения;
  • инверторы;
  • резервные блоки питания и т. п.

Наиболее востребованы эти устройства в медицине, военной сфере, а также в энергетике и науке. В этих отраслях к ним предъявляются особо «жесткие» требования, касающиеся качества преобразуемого напряжения («чистоты» синусоиды, например).

Преимущества и недостатки

К достоинствам преобразователей напряжения можно отнести:

  • возможность управления параметрами выходного сигнала – превращение его переменной величины в постоянное значение с использованием принципа частотного преобразования;
  • наличие опции коммутации входных и выходных цепей (варьирование амплитудой напряжения);
  • допустимость подстройки их номинальных значений под конкретную нагрузку;
  • компактность и простота конструкции бытовых преобразователей, которые нередко изготавливаются в модульном или настенном исполнении;
  • экономичность (по заявлениям производителей их КПД достигает 90%);
  • удобство пользования и универсальность;
  • возможность передачи электроэнергии на удаленные расстояния и обеспечение работы особо ответственных отраслей промышленности.

К минусам относят высокую стоимость и низкую влагостойкость (за исключением моделей, предназначенных специально для работы в условиях повышенной влажности).

Разновидности преобразователей

Среди всего многообразия существующих видов преобразователей выделяются следующие классы:

  • специальные устройства для дома;
  • высоковольтное и высокочастотное оборудование;
  • бестрансформаторные и инверторные импульсные устройства;
  • преобразователи постоянного напряжения;
  • регулируемые аппараты.

К этой же категории электронных приборов относят преобразователи тока в напряжение.

Аппаратура для дома

С этим типом преобразовательных устройств рядовой пользователь сталкивается постоянно, поскольку в большинстве моделей современной техники имеется встроенный блок питания. К тому же классу относятся бесперебойные источники питания (БИП), имеющие встроенный аккумулятор.

В отдельных случаях бытовые преобразователи выполняются по двойной кольцевой (инверторной) схеме.

За счет такого преобразования от источника постоянного тока (аккумулятора, например), удается получить на выходе переменное напряжение стандартной величины 220 Вольт. Особенностью электронных схем является возможность получения на выходе чисто синусоидального сигнала постоянной амплитуды.

Регулируемые устройства

Эти агрегаты способны значение выходного напряжения и повышать его. На практике чаще встречаются аппараты, позволяющие плавно изменять пониженное значение выходного потенциала.

Классическим является случай, когда на входе действует 220 Вольт, а на выходе получается регулируемое постоянное напряжение величиной от 2-х до 30 Вольт.

Приборы с тонкой регулировкой выходного параметра традиционно применяются для проверки стрелочных и цифровых измерительных приборов в условиях современных исследовательских лабораторий.

Бестрансформаторные приборы

Бестрансформаторные (инверторные) агрегаты построены по электронному принципу, предполагающему применение отдельного модуля управления. В качестве промежуточного звена в них используется преобразователь частоты, приводящий сигнал на выходе к удобному для выпрямления виду. В современных образцах инверторного оборудования нередко устанавливаются программируемые микроконтроллеры, существенно повышающие качество управление преобразованием.

Высоковольтные устройства представлены уже описанными станционными трансформаторами, повышающими и понижающими передаваемое напряжение в нужных соотношениях.

При передаче энергии по высоковольтным линиям и последующей трансформации стремятся свести ее потери в ваттах к минимуму.

К этому же классу относятся устройства, формирующие сигнал для управления лучом в телевизионной трубке (кинескопе).

Инвертор напряжения

Программирование микроконтроллеров Курсы

С развитием альтернативных источников энергии, в частности с массовым внедрением солнечных панелей, инвертор напряжения находит все более широкое применение. Поскольку применяется как постоянный, так и переменный ток, то часто возникает необходимость в преобразовании энергии одного рода в другой. Устройства, преобразующие переменный ток в постоянный называются выпрямителями. В качестве выпрямителя чаще всего применяют диодный мост. А устройство, преобразующее постоянный ток в переменный называют инвертором.

Структура инвертора напряжения

По ряду положительный свойств большую популярность завоевал инвертор напряжения. Особенно широко он используется с целью преобразования электрической энергии постоянного тока аккумуляторной, солнечной батареи или суперконденсатор в переменное напряжение 230 В, 50 Гц для питания большинства промышленных устройств.

Принцип работы инвертора напряжения

Представим, что у нас имеется источник электрической энергии постоянного тока такой, как аккумулятор или гальванический элемент и потребитель (нагрузка), который работает только от переменного напряжения. Как преобразовать один вид энергии в другой? Решение было найдено довольно просто. Достаточно подключить аккумулятор к потребителю сначала одной полярностью, а затем через короткий промежуток отключить аккумулятор, а потом снова подключить, но уже обратной полярностью. И такие переключения повторять все время через равные промежутки времени. Если выполнять таких переключений 50 раз за секунду, то на потребитель будет подаваться переменное напряжение частотой 50 Гц. Роль переключателей чаще всего выполняют транзисторы или тиристоры, работающие в ключевом режиме.

На схеме, приведенной ниже, изображен источника питания Uип с клеммами 1-2 и потребитель RнLн, обладающий активно-индуктивным характером, с клеммами 3-4. В один момент времени потребитель клеммами 3-4 подключается к клеммам 1-2 Uип, при этом I от Uип протекает в направлении LнRн, а в следующий момент клеммы 3-4 изменяют свое положение и I протекает в противоположном направлении относительно потребителя электрической энергии.

Схема преобразования постоянного напряжения в переменное

Схема инвертора напряжения

Наиболее распространённая схема инвертора напряжения состоит из четырех IGBT транзисторов VT1…VT4, включенных по схеме моста, и четырех обратных диодов, обозначенных VD1…VD4, параллельно соединенных с управляемыми полупроводниковыми ключами во встречном направлении. Преобразователь питает активно-индуктивную нагрузку. Именно она является самой распространенной, поэтому была взята за основу.

Схема инвертора напряжения

Входные клеммы инвертора подключаются к Uип. Если таким источником служит диодный выпрямитель, то выход его обязательно шунтируется конденсатором C.

В силовой электронике наибольшее применение нашли транзисторы с изолированным затвором IGBT (именно они показаны на схеме) и GTO, IGCT тиристоры. При оперировании меньшими мощностями вне конкуренции полевые транзисторы MOSFET.

В момент времени t1 открываются VT1 и VT4, а VT2 и VT3 – закрыты. Образуется единственный путь для протекания тока через нагрузку: «+» Uип – VT1 – нагрузка RнLн VT4«-» Uип. Таким образом, на интервале времени t1 ‑ t2 создается замкнутая цепь для протекания iн в соответствующем направлении.

Инвертор напряжения

Режим работы схемы

Для изменения направления iн снимаются управляющие импульсы с баз VT1 и VT4 и подаются сигналы на открытие второго и третьего VT2,3. В точке t2 на оси времени t, первый и четвертый VT1,4 закрыты, а второй и третий – открыты. Однако, поскольку нагрузка активно-индуктивная, то iн не может мгновенно изменить направление на противоположное. Этому будет препятствовать энергия, запасенная на индуктивности Lн. Поэтому он будет сохранять прежнее направление до тех пор, пока не рассеется все энергия, запасенная на индуктивности в виде магнитного поля, равная Wм = (Lн∙i 2 )/2.

Автономный инвертор напряжения

В связи с этим, на отрезке времени t2 – t3 ток будет протекать через диоды VD2 и VD3, сохраняя прежнее направление на RнLн, но пройдет в обратном направлении через Uип или конденсатор C, если источником энергии является диодный выпрямитель. Поэтому следует обязательно установить конденсатор C, если преобразователь подключен к диодному выпрямителю. Иначе прервется путь протекания iн, в результате чего возникнут сильное перенапряжение, которое может повредить изоляцию потребителя и выведет из строя полупроводниковые приборы.

В момент времени t3 вся запасенная на индуктивности энергия снизится до нуля. Начиная с момента t3 до момента t4 под действием приложенного Uип через открытые полупроводниковые ключи VT2 и VT3 будет протекать iн через LнRн уже в другую сторону.

Схема автономного инвертора напряжения

В точке t4, расположенной на оси времени t, снимается управляющий сигнал с VT1,3, а VT1 и VT4 открываются. Однако iн продолжает протекать в ту же сторону, пока не расходуется энергия, запасенная в индуктивности. Это будет происходить на интервале времени t4 – t5.

Принцип работы инвертора напряжения

Работа схемы

Начиная с момента t5 iн изменить направление и потечет от Uип через LнRн по пути через VT1 и VT4. Далее все процессы, протекающие в электрической цепи, будут повторяться. На LнRн форма напряжения будет прямоугольной, но ток на активно-индуктивной нагрузке будет иметь пилообразную форму за счет наличия индуктивности, которая не позволяет ему мгновенно вырасти и снизиться. Если потребитель имеет чисто активный характер (индуктивность и емкость практически равны нулю), то формы iн и uн будет в виде прямоугольников.

Поскольку VT1…VT4 попарно открывались на всей протяженности соответствующих полупериодов, то на выходе преобразователя формировалось максимально возможное uн, поэтому через LнRн протекал iн максимальной величины. Однако часто требуется обеспечить плавное нарастание мощности на потребителе, например для постепенного увеличения яркости освещения или частоты вращения вала двигателя.

Следует пояснить, что сигналы, поступающие из системы управления СУ, подаются не сразу на базы полупроводниковых ключей, а посредством драйвера. Так как современные СУ построены на безе микроконтроллеров, которые выдают маломощные сигналы, не способные открыть IGBT, то для увеличения мощности открывающего импульса применяется промежуточное звено – драйвер. Кроме того на часто драйвер выполняет множество дополнительных функций – защищает транзистор от короткого замыкания, перегрева и т.п.

Инвертор напряжения с регулированием выходных параметров

Самый простой способ изменить величину uн заключается в регулировании величины подводимого Uип, если такая возможность имеется. Например, для регулируемого выпрямителя это не проблема. Но такие источники электрической энергии как аккумуляторная батарея, суперконденсатор или солнечная батарея не имеют данной возможности. Поэтому регулировка частоты и величины выходного uн полностью возлагается на инвертор.

Для регулирования величины uн одну пару диагонально противоположных транзисторов следует открыть несколько ранее, чем в рассмотренном выше случае. Поэтому алгоритмом системы управления следует предусмотреть сдвигу управляющих сигналов. Например, подаваемых на открытие VT1 и VT4 относительно импульсов управления, подаваемых на базы VT2 и VT3, на некоторый угол, называемый углом управления α.

Алгоритм управления транзисторами инвертора напряжения

Обратите внимание, что амплитудное значение uн остается неизменной величины и приблизительно равно значению Uип, но действующее значение uн будет снижаться по мере увеличения угла управления α. Рассмотрим, как это работает.

На интервале времени от t1 до t2 открыта пара транзисторов VT1 и VT4; iн протекает справа налево, как показано на схеме. В момент t2 закрывается первый транзистор и открывается второй. Ток сохраняет прежнее направление, а нагрузка оказывается замкнутой, в результате чего напряжение на ней падает практически до нуля, соответственно снижается и iн.

Схема инвертора напряжения на транзисторах

Схема преобразователя напряжения

Принцип работы преобразователя напряжения

Схема преобразователя напряжения на транзисторах

Далее из системы управления поступает команда и VT2 открывается, а VT4 закрывается. Однако накопленная в индуктивности энергия не позволяет току iн изменить свое направление, и он протекает по прежней цепи, только уже через диоды VD2 и VD3 встречно источнику питания. Длительность этого процесса продолжается до точки времени t4. В точке t4 под действием приложенного Uип iн изменяет знак на противоположный.

Широтно-импульсная модуляция

Такой алгоритм работы полупроводниковых ключей в отличие от предыдущего алгоритма формирует паузу определенной длительности, которая в конечном итоге приводит к снижению действующего значения uн. Для формирования iн синусоидальной формы применяется широтно-импульсная модуляция ШИМ. Преобразователь с ШИМ, а точнее алгоритм его работы, предусматривающий ШИМ, мы рассмотрим отдельно.

Также следует заметить, что рассмотренный алгоритм управления полупроводниковыми ключами называется широтно-импульсным регулированием ШИР, который часто путают с ШИМ, хотя разница огромная.

В преобразовательной технике ШИМ практически вытеснила ШИР, поскольку обладает рядом положительных свойств, благодаря которым повышается КПД всего устройства и снижается уровень электромагнитных помех. Поэтому в дальнейшем мы рассмотрим инвертор напряжения с ШИМ.

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

Асинхронный электродвигатель

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

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

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

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

Устройство

С учетом сказанного выше сформулируем заново ответ на вопрос, что это такое:

Частотный преобразователь — это электронное устройство для изменения частоты переменного тока, следовательно, и числа оборотов ротора асинхронной (и синхронной) электрической машины.

Условное графическое обозначение согласно ГОСТ 2.737-68 вы можете видеть ниже:

УГО частотного преобразователя по ГОСТ

Электронным он называется потому, что в основе лежит схема на полупроводниковых ключах. В зависимости от функциональных особенностей и типа управления будут видоизменяться и принципиальная электрическая схема, и алгоритм работы.

На схеме ниже вы видите как устроен частотный преобразователь:

Блок-схема преобразователя частоты

Принцип действия преобразователя частоты лежит в следующем:

  • Сетевое напряжение подаётся на выпрямитель 1 и становится выпрямленным пульсирующим.
  • В блоке 2 сглаживаются пульсации и частично компенсируется реактивная составляющая.
  • Блок 3 – это группа силовых ключей, управляемых системой управления (4) методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Такая конструкция позволяет получить на выходе двухуровневое ШИМ-регулируемое напряжение, которое после сглаживания приближается к синусоидальному виду. В дорогих моделях нашла применение трёхуровневая схема, где используется больше ключей. Она позволяет добиться более близкой к синусоидальной формы сигнала. В качестве полупроводниковых ключей могут использоваться тиристоры, полевые или IGBT-транзисторы. В последнее время наиболее востребованы и популярны последние два типа из-за эффективности, малых потерь и удобства управления.
  • С помощью ШИМ формируется нужный уровень напряжения, простыми словами – так модулируют синусоиду, поочередно включая пары ключей, формируя линейное напряжение.

Так мы кратко рассказали, как работает и из чего состоит частотный преобразователь для электродвигателя. Он используется в качестве вторичного источника электропитания и не просто управляет формой тока питающей сети, а преобразует его величину и частоту в соответствии с заданными параметрами.

Виды частотников и сфера применения

Способы управления

Регулировка оборотов может осуществляться разными способами, как по способу установки требуемой частоты, так и по способу регулирования. Частотники по способу управления делят на два типа:

  1. Со скалярным управлением.
  2. С векторным управлением.

Устройства первого типа регулируют частоту по заданной функции U/F, то есть вместе с частотой изменяется и напряжение. Пример такой зависимости напряжения от частоты вы можете наблюдать ниже.

Она может отличаться и программироваться под конкретную нагрузку, например, на вентиляторах она не линейная, а напоминает ветвь параболы. Такой принцип работы поддерживает магнитный поток в зазоре между ротором и статором почти постоянным.
Скалярная функция регулирования
Особенностью скалярного управления является его распространенность и относительная простота реализации. Используется чаще всего для насосов, вентиляторов и компрессоров. Такие частотники часто используют, если нужно поддерживать стабильное давление (или другой параметр), это могут быть погружные насосы для скважин, если рассматривать бытовое применение.
Электродвигатели в насосной на производстве
На производстве же сфера применения широка, например, регулировка давления в тех же трубопроводах и производительности автоматических систем вентиляции. Диапазон регулирования обычно составляет 1:10, простым языком максимальная скорость от минимальной может отличаться в 10 раз. Из-за особенностей реализации алгоритмов и схемотехники такие устройства обычно дешевле, что и является основным преимуществом.
Частотные преобразователи разной мощности
Недостатки:

  • Не слишком точная поддержка оборотов.
  • Медленнее реакция на изменение режима.
  • Чаще всего нет возможности контролировать момент на валу.
  • С ростом скорости сверх номинальной падает момент на валу двигателя (то есть когда поднимаем частоту выше номинальных 50 Гц).

Последнее связано с тем, что напряжение на выходе зависит от частоты, при номинальной частоте напряжение равняется сетевому, а выше частотник поднимать «не умеет», на графике вы могли видеть ровную часть эпюры после 50 Гц. Следует отметить и зависимость момента от частоты, она падает по закону 1/f, на графике ниже изображена красным, а зависимость мощности от частоты синим.
Зависимость мощности и момента на валу двигателя от частоты
Преобразователи частоты с векторным управлением имеют другой принцип работы, здесь не просто напряжение соответствует кривой U/f. Характеристики выходного напряжения изменяются в соответствии с сигналами от датчиков, так чтобы на валу поддерживался определенный момент. Но зачем нужен такой способ управления? Более точная и быстрая регулировка – отличительные черты частотного преобразователя с векторным управлением. Это важно в таких механизмах, где принцип действия связан с резким изменением нагрузки и момента на исполнительном органе.
Векторная диаграмма
Такая нагрузка характерна для токарных и других видов станков, в том числе ЧПУ. Точность регулирования до 1,5%, диапазон регулировки – 1:100, для большей точности с датчиками скорости и пр. – 0,2% и 1:10000 соответственно.

На форумах бытует мнение, что на сегодняшний день разница в цене между векторными и скалярными частотниками меньше чем была раньше (15-35% в зависимости от производителя), а главным отличием является в большей степени прошивка, чем схемотехника. Также отметим, что большинство векторных моделей поддерживают и скалярное управление.

  • большая стабильность работы и точность;
  • быстрее реакция на изменения нагрузки и высокий момент на низкой скорости;
  • шире диапазон регулирования.

Главный недостаток – стоит дороже, чем скалярные.

В обоих случаях частота может задаваться вручную или датчиками, например, датчиком давления или расходомером (если речь вести о насосах), потенциометром или энкодером.

Во всех или почти во всех преобразователях частоты есть функция плавного пуска двигателя, что позволяет легче пускать двигатели от аварийных генераторов практически без риска его перегрузки.

Количество фаз

Кроме способов реагирования частотники отличаются и количеством фаз на входе и выходе. Так различают частотные преобразователи с однофазным и трёхфазным входом.

При этом большинство трёхфазных моделей могут питаться от одной фазы, но при таком применении их мощность уменьшается до 30-50%. Это связано с допустимой токовой нагрузкой на диоды и другие силовые элементы схемы. Однофазные же модели выпускаются в диапазоне мощностей до 3 кВт.

Важно! Учтите, что при однофазном подключении с напряжением на вход 220В, будет выход 3 фазы по 220В, а не по 380В. То есть линейное на выходе будет именно 220В, если говорить кратко. В связи с чем распространенные двигатели с обмотками, рассчитанными на напряжения 380/220В нужно соединять в треугольник, а те что на 127/220В – в звезду.

В сети вы можете найти много предложений типа «частотный преобразователь 220 на 380» — это в большинстве случаев маркетинг, продавцы любые три фазы называют «380В».

Миниатюрный преобразователь для насоса

Чтобы получить настоящие 380В из одной фазы нужно либо использовать однофазный трансформатор 220/380 (если вход преобразователя частоты рассчитан на такое напряжение), либо использовать специализированный частотный преобразователь с однофазным входом и 380В трёхфазным выходом.

Отдельным и более редким видом преобразователей частоты являются однофазные частотники с однофазным выходом 220. Они предназначены для регулировки однофазных двигателей с конденсаторным пуском. Примером таких устройств являются:

  • ERMAN ER-G-220-01
  • INNOVERT IDD

Схема подключения

В реальности же, чтобы получить из частотного преобразователя 380В выход 3 фазы, нужно подключить на вход 3 фазы 380В:
Схема подключения 3-фазного частотного преобразователя к 3ф двигателю
Подключение частотника к одной фазе аналогично, за исключением подключения питающих проводов:
Схема подключения 1-фазного частотника к 3-фазному двигателю
Однофазный преобразователь частоты для двигателя с конденсатором (насоса или вентилятора малой мощности) подключается по такой схеме:
Схема подключения 1-фазного преобразователя частоты к конденсаторному двигателю
Как вы могли видеть на схемах, кроме питающих проводов и проводов к двигателю у частотника есть и другие клеммы, к ним подключаются датчики, кнопки выносного пульта управления, шины для подключения к компьютеру (чаще стандарта RS-485) и прочее. Это даёт возможность управления двигателем по тонким сигнальным проводам, что позволяет убрать частотный преобразователь в электрощит.
Клеммы частотного преобразователя для подключения датчиков, питания и двигателя

Частотники – это универсальные устройства, назначение которых не только регулировка оборотов, но и защита электродвигателя от неправильных режимов работы и электропитания, а также от перегрузки. Кроме основной функции в устройствах реализуется плавный пуск приводов, что снижает износ оборудования и нагрузки на электросеть. Принцип работы и глубина настройки параметров большинства частотных преобразователей позволяет экономить электроэнергию при управлении насосами (ранее управление осуществлялось не за счет производительности насоса, а с помощью задвижек) и другим оборудованием.

На этом мы и заканчиваем рассмотрение вопроса. Надеемся, после прочтения статья вам стало понятно, что такое частотный преобразователь и для чего он нужен. Напоследок рекомендуем просмотреть полезно видео по теме:

голоса
Рейтинг статьи
Читать еще:  Шестигранник для регулировки окон купить
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector