Частотные преобразователи

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 частоты 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 с 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).

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).