Национальный горный университет — соответствие Времени

Что такое преобразователь частоты

Применение преобразователей энергии в электроприводе обусловлено в основном необходимостью регулирования скорости вращения электродвигателей. У большинства первичных источников электроэнергии (промышленная и бытовая сети переменного тока, контактная сеть электротранспорта, аккумулятор) уровень выходного напряжения и его частота являются неизменными. Изменение скорости вращения двигателя постоянного тока обычно производится путем изменения уровня напряжения, подаваемого на обмотку якоря. Для этого между двигателем и питающей сетью включают специальный преобразователь электрической энергии – управляемый выпрямитель. При использовании двигателей переменного тока с той же целью применяют преобразователи частоты (ПЧ, частотные преобразователи, «частотники»). Именно такие преобразователи в последние годы развивались наиболее динамично и фактически преобразили лицо современного электропривода.


Общее устройство преобразователя частоты
Рис. 1 Общее устройство преобразователя частоты

Большинство современных преобразователей частоты имеют два каскада преобразования энергии и состоят из выпрямителя, сглаживающего фильтра и инвертора (рис. 1). Выпрямитель преобразует энергию переменного тока в энергию постоянного тока, фильтр сглаживает пульсации выходного напряжения выпрямителя, а инвертор осуществляет обратное преобразование, превращая энергию постоянного тока в энергию переменного тока, но с регулируемыми уровнем напряжения и его частотой.

Выпрямитель

В большинстве случаев выпрямитель питается от трехфазной сети переменного тока, но мы рассмотрим принцип его действия на примере однофазного выпрямителя, применяемого в маломощных преобразователях частоты (рис. 2). Процессы в выпрямителе показаны на рис. 3.


Схема однофазного выпрямителя
Рис. 2 Схема однофазного выпрямителя

Принцип действия выпрямителя
Рис. 3 К принципу действия выпрямителя

Выпрямитель состоит из 4 диодов VD1…VD4. Напряжение источника питания U1 знакопеременное синусоидальное, изменяющееся с частотой f1=50 Гц (синяя линия на рис. 3). Для открывания диода необходимо, чтобы к его аноду (нижняя клемма диода на рис. 2) был приложен положительный потенциал, а к катоду (верхняя клемма) – отрицательный. Поэтому, когда питающее напряжение положительно (полярность указана на рис. 2), могут открыться только диоды VD1 и VD4.

Если бы конденсаторный фильтр С отсутствовал, ток в течение половины периода Т1 протекал бы от положительного полюса источника U1 через диод VD1, инвертор, диод VD4 к отрицательному полюсу источника (по стрелке на рис. 2). При этом на выход выпрямителя через открытые диоды подавалось бы напряжение, численно равное Ud=U1 (на выходной клемме D1 выпрямителя присутствует положительный потенциал, на клемме D2 – отрицательный). На второй половине периода, когда полярность напряжения питания отрицательна, открываются диоды VD2 и VD3. На выход выпрямителя через них поступает входное напряжение, но с противоположным знаком (красная линия Ud=–U1 на рис. 2). Благодаря этому, несмотря на изменение знака напряжения питания, полярность напряжения на клеммах D1 и D2 не изменяется, а форма его в функции времени имеет вид выпрямленной синусоиды.

Если учесть наличие на выходе выпрямителя конденсаторного фильтра С, характер процессов будет несколько иным. Конденсатор заряжен от выпрямителя с полярностью, показанной на рис. 2. Пока напряжение на конденсаторе меньше напряжения сети U1, на протяжении времени τ1 идет дозаряд конденсатора через какую-либо пару диодов (в зависимости от полярности U1). Как только напряжение на конденсаторе (зеленая линия на рис. 3) достигнет уровня напряжения сети, диоды закрываются, а конденсатор разряжается на инвертор (интервал времени τ2). Наличие конденсатора уменьшает пульсации выпрямленного напряжения и увеличивает его среднее значение. Это благоприятно сказывается на работе инвертора.

Инвертор

К обмоткам электродвигателя переменного тока должно подаваться знакопеременное напряжение со средним за полпериода значением, равным нулю. Чаще всего применяются трехфазные двигатели, имеющие три обмотки статора. Поэтому и инвертор должен быть трехфазным и преобразовывать знакопостоянное входное напряжение в три знакопеременных выходных. Мы, однако, рассмотрим более простой однофазный инвертор, на выходе которого формируется только одно знакопеременное напряжение.

Упрощенная схема инвертора приведена на рис. 4.


Силова схема інвертора
Рис. 4 Силовая схема инвертора

Стани інвертора
Рис. 5 Состояния инвертора (а – включены Sw1 и Sw4; б – включены Sw2 и Sw3)

К входным клеммам D1 и D2 подано постоянное напряжение Ud с выхода выпрямителя. Управляемые полупроводниковые ключи Sw1…Sw4 (обычно транзисторные или тиристорные) замыкаются попарно поочередно (Sw1 с Sw4 или Sw2 с Sw3). Каждая пара ключей подключает выходные клеммы инвертора М1 и М2 к выходу выпрямителя с той или иной полярностью (рис. 5). Благодаря этому на выходе инвертора формируется знакопеременное напряжение U2, хотя на входе напряжение знака не меняет. Поскольку длительности работы пар ключей одинаковы, положительные полупериоды идентичны отрицательным, а среднее за период Т2 напряжение равно нулю (рис. 6а). Таким образом, инвертор выполняет функцию своеобразного переключателя. Изменяя одновременно длительности работы ключей, можно получить на выходе инвертора напряжение другой частоты (рис. 6б).

Обычно для двигателей переменного тока требуется одновременное изменение частоты и уровня напряжения питания. Эту задачу может выполнить тот же инвертор, если на каждом полупериоде выходного напряжения ввести паузы (одну или несколько, как на рис. 7). Пока включены ключи Sw1, Sw3 или Sw2, Sw4, выходные клеммы М1 и М2 инвертора замкнуты через них накоротко и его выходное напряжение U2=0. Меняя длительность пауз τ, можно изменять среднее за полупериод выходное напряжение. В реальных инверторах подобных пауз намного больше, а их длительность меняется на протяжении полупериода по синусоидальному закону (так называемая широтно-импульсная модуляция).


Выходные напряжения инвертора различной частоты
Рис. 6 Выходные напряжения инвертора различной частоты

Способ уменьшения выходного напряжения инвертора
Рис. 7 Способ уменьшения выходного напряжения инвертора

Система управления, диагностики и защиты

Задачами данной системы являются:

• управление силовыми ключами инвертора и обеспечение очередности их переключения;

• управление током, моментом и скоростью электродвигателя;

• контроль состояния двигателя и преобразователя частоты и защита их от аварийных режимов;

• обмен информацией с внешним миром (датчиками, программируемым логическим контроллером, человеком).

Система построена на нескольких микропроцессорных контроллерах, каждый из которых выполняет свои функции (управление ключами, общение с внешними устройствами, отображение информации).

Настройка (программирование) преобразователя частоты заключается в выборе нужных значений изменяемых параметров (темп разгона, способ остановки, уровни срабатывания защит и т.п.). Параметры собраны в меню, чем-то напоминающее меню мобильного телефона. Настройку можно производить непосредственно на преобразователе с помощью специального терминала с несколькими кнопками и небольшим дисплеем. Возможно также создание файла настроек в офисе с последующей его загрузкой в преобразователь частоты с ноутбука.

Помимо силовых входов и выходов, через которые производится подключение питающей сети и двигателя, имеются также управляющие входы/выходы. Благодаря им преобразователь получает сигналы от внешних датчиков, команды от программируемого логического контроллера (ПЛК), через них передает ему информацию о своем текущем состоянии. Наиболее «продвинутые» преобразователи имеют ПЛК у себя на борту и благодаря этому могут выполнять довольно сложные функции автоматизации технологического процесса.

В современных автоматизированных цехах широко применяются промышленные коммуникационные сети, подобные сети Ethernet в компьютерных классах. Сеть объединяет программируемые логические контроллеры, панели человеко-машинного интерфейса, датчики, электроприводы в разветвленную систему автоматизации. Поэтому преобразователи частоты обязательно имеют возможность подключаться к коммуникационной сети.


Преобразователи частоты малой мощности
Рис. 8 Преобразователи частоты малой мощности

Современные преобразователи частоты разнообразны по уровню мощности: от крошки мощностью в нескольких сотен ватт, умещающегося в ладони (рис. 8а), до преобразователя мультимегаваттного класса, требующего для установки специального помещения (рис. 9). Различаются они также по назначению и функциональным возможностям (для насосов и вентиляторов, подъемных кранов и лифтов, бытовой техники). Для упрощения монтажа и эксплуатации небольшие преобразователи частоты специальной конструкции устанавли­ваются непосредственно на электродвигатель (рис. 8б). Преобразователь небольшой мощности со снятой крышкой показан на рис. 10.


Мощный преобразователь частоты шкафного исполнения
Рис. 9 Мощный преобразователь частоты шкафного исполнения

Преобразователь частоты со снятой крышкой
Рис. 10 Преобразователь частоты со снятой крышкой


Скачать эту статью в формате pdf (875КБ)


Система Orphus
© 2006-2017 НГУ Інформація про сайт