Позвоните нам

8-8000-80-35-80
(звонок бесплатный)

Заказать звонок

Напишите письмо


infokz@rusautomation.kz

Открыть
Главная > Статьи > Принцип работы преобразователя частоты

Принцип работы преобразователя частоты

« Назад 11.04.2022 00:00
Принцип работы преобразователя частоты

Логотип РусАвтоматизация

Что такое частотный преобразователь

Частотный преобразователь (то же – преобразователь частоты), по сути, представляет собой источник питания промышленного оборудования с синусоидальным выходным напряжением (как правило – трехфазным), с регулируемой частотой и амплитудой. Подвод питающей энергии к преобразователю осуществляется от промышленной сети переменного тока или аккумуляторных установок. Регулирование частоты и амплитуды может осуществляться по различным законам, в зависимости от требований технологического оборудования.


Применение частотных преобразователей

В подавляющем большинстве, частотные преобразователи применяются в составе электроприводов для управления электродвигателями промышленных машин и механизмов широкого спектра мощностей. К наиболее часто встречающимся областям применения можно отнести:

  • вентиляционное и насосное оборудование;
  • электроприводы обрабатывающих станков различных производств (металлообработки, деревообработки, бумагоделательные и т.д.);
  • электроприводы металлургического производства;
  • крановое и другое подъемно-транспортное оборудование (лифты, подъемники);
  • производственные транспортные системы (конвейеры, транспортеры, т.п.);
  • электроприводы промышленных манипуляторов и роботов;
  • приводы электрического автомобильного транспорта и др.

Все виды оборудования имеют свои особенности функционирования. Для обеспечения максимальной эффективности, снижения аварийности и эксплуатационных затрат, увеличения ресурса, электропривод оборудования должен эти особенности учитывать и формировать законы движения соответствующим образом. Эти задачи выполняются наиболее гибким звеном привода – преобразователем частоты (ПЧ), управляющим движением основного силового элемента привода – электродвигателем переменного тока. Могут применяться электродвигатели двух типов: синхронные и асинхронные. Наибольшее применение находят асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором, как наиболее дешевые и простые по конструкции, обладающие максимальным ресурсом и ремонтопригодностью.


Виды частотных преобразователей

В соответствии с принципом работы ПЧ, по наиболее общей классификации принято различать два основных вида:

  • электромашинные (индукционные);
  • электронные (статические).

Индукционные строятся на основе электрической машины синхронного или асинхронного типа с обратным потоком энергии: машина приводится во вращение неким внешним двигателем. Изменение скорости вращения обеспечивает изменение частоты выходного напряжения. Преобразователи имеют сравнительно низкий КПД и недостаточную гибкость в управлении.

Основное применение находят электронные (статические) преобразователи частоты, использующие в качестве силовых переключателей полупроводниковые приборы – полууправляемые (тиристоры, симисторы) и полностью управляемые (транзисторы и тиристоры типа GTO). Статические ПЧ также подразделяются на два основных типа:

  • с непосредственной связью с питающей сетью;
  • с промежуточным звеном постоянного тока.

На Рис. 1 показана обобщенная структурная схема ПЧ с непосредственной связью с сетью и основные диаграммы, поясняющие его работу. Силовая часть преобразователя представляет собой управляемый выпрямитель, элементная база – неуправляемые п/п приборы – тиристоры. Посредством системы управления преобразователя фазные обмотки статора двигателя поочередно подключаются к различным фазам напряжения сети таким образом, что напряжение на обмотке двигателя формируется из отрезков синусоидальных кривых, усредненное значение которых представляет собой первую гармоническую составляющую фазного напряжения двигателя.

Принцип работы преобразователя частоты
Рис. 1

Нужно отметить следующие достоинства таких устройств: минимум установленного оборудования и предельно высокую эффективность – по некоторым данным их КПД может достигать 98,5%. Кроме того, такое оборудование может работать с очень высокими напряжениями и токами и поэтому применяется в основном для высоковольтных приводов высокой мощности.

Основной существенный недостаток – неширокий диапазон регулирования частоты. Теоретически он не может превысить величины частоты питающей сети. В силу технических ограничений реально он составляет около 0…30 Гц.

По мере бурного развития силовых полностью управляемых п/п приборов – запираемых тиристоров типа GTO и интегральных транзисторных модулей типа IGBT, все более широкое применение получают ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока. Обобщенная структурная схема такого устройства и диаграммы его работы представлены на Рис. 2.

Принцип работы преобразователя частоты
Рис. 2

Здесь использовано двойное преобразование параметров электроэнергии: на первом этапе переменное напряжение питающей сети Uвх выпрямляется и фильтруется до получения постоянного напряжения Ud. Эта операция выполняется в звене постоянного тока (блок 1 – выпрямитель и блок 2 – фильтр). На втором этапе автономный инвертор (блок 3) превращает постоянное напряжение в серию импульсов переменной полярности Uи, которые после фильтра (блок 4) превращаются в синусоидальные напряжение и ток Uвых, iвых с регулируемой амплитудой и частотой fвых. Такая схема нашла очень широкое применение в современных частотно-регулируемых электроприводах.


Способы управления асинхронным двигателем при частотном регулировании

Работа асинхронного двигателя переменного тока основана на следующем. К трехфазной обмотке статора двигателя, уложенной в пазах статора определенным образом, подводится трехфазное переменное напряжение. В этом случае, во внутреннем пространстве статора возникает «бегущее» магнитное поле, вектор магнитного потока которого вращается в поперечной плоскости двигателя, совершая количество полных оборотов, определяемое частотой подводимого напряжения. Вращающийся магнитный поток пересекает витки обмотки ротора, индуцируя в них электрический ток и механические усилия (силы Лоренца), стремящиеся провернуть ротор и создавая механический вращающий момент. Вращаясь, ротор отстает от вращения магнитного поля на незначительную величину, принятую в относительных единицах называть «скольжением», однако, в основном, скорость его вращения определяется частотой питающей сети.

Для правильной организации управления асинхронным двигателем необходимо учитывать свойства нагрузки – зависимость момента сопротивления, создаваемого приводимым в движение механизмом, от скорости вращения. При любых изменениях момента нагрузки двигатель должен быть в состоянии его преодолеть. В противном случае, двигатель останавливается и попадает в режим короткого замыкания. На Рис. 3 (б, в, г) показаны несколько практических случаев изменения моментов нагрузки при изменении скорости движения и соответственного необходимого изменения частоты и амплитуды питающего напряжения двигателя. При изменениях частоты и амплитуды питающего напряжения по указанному на каждом из рисунков закону происходит необходимая соответствующая деформация внешней характеристики двигателя – зависимости скорости вращения от момента на валу M = M(ɷ).

Принцип работы преобразователя частоты
Рис. 3

Здесь:

  • Mc – момент нагрузки.
  • U1, f1 – амплитуда и частота питающего напряжения.
  • ɷ1, ɷн, ɷ2 – скорость вращения двигателя.
  • f11, f, f12 – частота питания двигателя.
  • Mк – критический (максимальный) момент двигателя.
  • Mп1, Mпн, Mп2 – пусковой момент двигателя.

Как видно из графических иллюстраций, при правильном частотном управлении двигателем необходимо соблюдать определенные соотношения амплитуды и частоты питающего напряжения. Того же результата можно добиться, контролируя непосредственно положение и величину вектора магнитного потока статора двигателя. В первом случае способ управления принято называть «скалярным», во втором случае – «векторным» управлением. При всех способах управления преобразователь, питающий асинхронный двигатель, должен обеспечивать возможности регулирования частоты и амплитуды трехфазного выходного напряжения.


Принцип работы частотного преобразователя

В самом общем виде принципиальная схема, иллюстрирующая устройство ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока, выглядит следующим образом.

Принцип включения транзисторных ключей
Принцип работы преобразователя частоты
Рис. 4

Трехфазное напряжение питающей сети подается на вход мостовой схемы выпрямителя и, после отфильтровывания пульсаций, в виде постоянного напряжения поступает на вход инвертора, выполненного по мостовой схеме из шести силовых биполярных транзисторов MOSFET с изолированным затвором (или модулей IGBT), каждый из которых включен по встречно-параллельной схеме с защитным диодом. Диоды исключают повреждение каждого из ключей обратным приложенным напряжением.

В качестве силовых ключей могут использоваться также запираемые тиристоры GTO. В данной схеме двигатель включен по схеме «звезда» в диагонали инверторного моста. Диаграммы работы инвертора представлены ниже.

Принцип работы преобразователя частоты
Рис. 5

Межфазные напряжения на обмотки двигателя подаются в виде последовательностей однополярных импульсов, следующих с переменной полярностью одна за другой.

Частота выходного напряжения инвертора определяется частотой следования последовательностей.

Для выделения синусоидальной составляющей выходного напряжения может применяться индуктивный фильтр (обычно в виде дросселя), однако в большинстве случаев индуктивность обмоток самого асинхронного двигателя достаточно велика и способствует выделению основной гармоники выходного тока, как показано на диаграмме. Регулирование амплитуды напряжения или тока выхода проще всего осуществляется методом ШИМ-модуляции последовательности однополярных импульсов, изменяя продолжительность включенного и выключенного состояния силовых ключей инвертора. Этот метод позволяет максимально исключить потери и повысить КПД преобразователя.

Для осуществления интенсивного торможения двигателя в схему ПЧ вводится цепь разряда энергии, состоящая из силового транзистора и мощного резистора, включаемых параллельно конденсатору фильтра. Цепь разряда позволяет погасить механическую инерцию двигателя и сопряженного механизма, превратив ее в тепловую, а также предотвратить зарядку конденсатора до повышенных напряжений.

Использование структуры ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока и ШИМ-регулированием амплитуды и частоты выходного напряжения делает такие устройства практически универсальными, реализующими любой из способов управления асинхронным двигателем: скалярный или векторный. Реализация системы управления на цифровой основе с использованием средств микропрограммирования позволяет создать универсальные электроприводы, пригодные для любых практических случаев и позволяющие пользователю задавать любые нужные ему режимы в пределах физических ограничений. В схему управления включают:

  • встроенный программируемый логический контроллер;
  • модули ввода/вывода с расширенными возможностями интерфейса;
  • карты памяти;
  • специализированное программное обеспечение;
  • информационный LED-дисплей для отображения настроек и параметров работы.

Кроме того, реальные комплектные ПЧ могут содержать: устройства охлаждения, тормозные прерыватели, встроенные ЭМС-фильтры.


Схемы подключения частотных преобразователей

Промышленные частотные преобразователи предназначены для работы как с трехфазными, так и однофазными сетями переменного тока. В отдельных случаях возможно использование постоянного питающего напряжения. Во всех случаях на выходе ПЧ трехфазное переменное напряжение: в случае питающей трехфазной сети – выходная система напряжений такая же; в случае питания от однофазной сети – на выходе трехфазное напряжение 220 В. Подключение двигателя иллюстрируется на Рис. 6.

При выходном напряжении 3×380В обмотки асинхронного двигателя подключаются по схеме «звезда».

При выходном напряжении 3×220В обмотки асинхронного двигателя подключаются по схеме «треугольник».


Варианты подключения частотного преобразователя
Принцип работы преобразователя частоты
Рис. 6

Статья от РусАвтоматизации Хотите сохранить
эту статью? Скачайте
её в формате PDF
Статья от РусАвтоматизации Остались вопросы?
Обсудите эту статью
на нашей странице В Контакте
Статья от РусАвтоматизации Хочешь читать статьи
первым, подписывайся на
наш канал в Яндекс.Дзен

Рекомендуем прочитать также:

Статьи. Рекомендуем прочитать также

Пять самых распространенных вопросов при выборе преобразователя частоты

Читать статью ...

Статьи. Рекомендуем прочитать также

Выбор преобразователя частоты для привода переменного тока

Читать статью ...

Статьи. Рекомендуем прочитать также

Частотный электропривод. Эффективность применения частотно-регулируемых приводов

Читать статью ...



Телеграм1
Телеграм2
Новости
12
04.24
День космонавтики: годовщина первого полета
08
04.24
«РусАвтоматизация» – сертифицированный партнер «Инстарт»
01
04.24
Приборы Dinel – новые декларации соответствия
29
03.24
Аудит производства
25
03.24
Декларация ЭМС для скважинных уровнемеров XSON
Принцип работы преобразователя частоты Статьи по Автоматизации технологических процессов производства от РусАвтоматизации
*?
*?
?
*
*
*?
?
*?
*?
*
*?

Проектная задача

*Подтвердите, что Вы не робот:

Принцип работы преобразователя частоты Статьи по Автоматизации технологических процессов производства от РусАвтоматизации

Заполните приведенные ниже поля, и наши специалисты позвонят Вам в удобное для Вас время.

Вы можете позвонить нам сами на номер 8-8000-80-35-80 (бесплатный звонок с мобильных и стационарных телефонов в Казахстане)

*
*
*
*
*
?
*
?
*?


Проектная
задача

*Подтвердите, что Вы не робот:

Внимание!
Данный сервис доступен только для заказчиков из стран, входящих в таможенный союз.

*
*
*
*
*
*
*
*Подтвердите, что Вы не робот:

*
?
?
?
?
?
?
?

Контактные данные

*
*
*
*
*
*
*
*Подтвердите, что Вы не робот:

Принцип работы преобразователя частоты Статьи по Автоматизации технологических процессов производства от РусАвтоматизации

Данные о редукторе

*?
?
?

Контактные данные

*
*
*
*
*?
?
*
*?
*Подтвердите, что Вы не робот:

Заполните приведенные ниже поля, и наши специалисты позвонят Вам в удобное для Вас время.

Вы можете позвонить нам сами на номер 8-8000-80-35-80 (бесплатный звонок с мобильных и стационарных телефонов в Казахстане)

*
*
*
*
*
?
*
?
*?



Транзакция

*Подтвердите, что Вы не робот:

Принцип работы преобразователя частоты Статьи по Автоматизации технологических процессов производства от РусАвтоматизации
*?
*?
?
*
*
*?
?
*?
*?
*
*?
*Подтвердите, что Вы не робот: