Частотный преобразователь

Дмитрий Левкин

Частотный преобразователь, или преобразователь частоты — электротехническое устройство (система управления), используемое для контроля скорости и/или момента двигателей переменного тока путем изменения частоты и напряжения питания электродвигателя.

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 преобразователь 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.

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

На микроконтроллере частотного преобразователя выполняется программное обеспечение, которое управляет основными параметрами электродвигателя (скоростью и моментом). Основные методы управления бесщеточными двигателями, используемые в частотных преобразователях представлены в таблице ниже.

Характеристики основных способов управления электродвигателями используемых в частотных преобразователях [3]

Примечание:

1. Без обратной связи.
2. С обратной связью.
3. В установившемся режиме

Широкое развитие силовых электрических преобразователей в последние десятилетия привело к увеличению количества исследований в области модуляции. Метод модуляции непосредственно влияет на эффективность всей энергосистемы (силовой части, системы управления), определяя экономическую выгоду и производительность конечного продукта.

Главная цель методов модуляции – добиться лучшей формы сигналов (напряжений и токов) с минимальными потерями. Другие второстепенные задачи управления могут быть решены посредством использования правильного способа модуляции, такие как уменьшение синфазной помехи, выравнивание постоянного напряжения, уменьшение пульсаций входного тока, снижение скорости нарастания напряжения. Одновременное достижение всех целей управления невозможно, необходим компромисс. Каждая схема силового преобразователя и каждое приложение должны быть глубоко изучены для определения наиболее подходящего метода модуляции.

Методы модуляции можно разделить на четыре основные группы:
• ШИМ — широтно-импульсная модуляция
• ПВМ — пространственно-векторная модуляция
• гармоническая модуляция
• методы переключения переменной частоты

Корни силовой электроники уходят к 1901 году, когда П.К. Хьюитт изобрел ртутный вентиль. Однако современная эра полупроводниковой силовой электроники началась с коммерческого представления управляемого кремниевого выпрямителя (тиристора) компанией General Electric в 1958 году. Затем развитие продолжалось в области новых полупроводниковых структур, материалов и в производстве, давая рынку много новых устройств с более высокой мощностью и улучшенными характеристиками. Сегодня силовая электроника строится на металл-оксид-полупроводниковых полевых транзисторах (MOSFET — metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) и биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT — Insulated-gate bipolar transistors), а для диапазона очень высоких мощностей — на тиристорах с интегрированным управлением (IGCT – Integrated gate-commutated thyristor). Также сейчас доступны интегрированные силовые модули. Новая эра высоковольтных, высокочастотных и высокотемпературных технологий открывается многообещающими полупроводниковыми устройствами, основанными на широкой запрещенной зоне карбида кремния (SiC). Новые силовые полупроводниковые устройства всегда инициируют развитие новых топологий преобразователей [3].

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

Фазное напряжение 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).



Схема непрямого матричного преобразователя



Схема разреженного матричного преобразователя

Библиографический список

• ГОСТ Р 50369-92 Электроприводы. Термины и определения.
• Rahul Dixit, Bindeshwar Singh, Nupur Mittal. Adjustable speeds drives: Review on different inverter topologies.- Sultanpur, India.:International Journal of Reviews in Computing, 2012.
• Marian P. Kazmierkowski, Leopoldo G. Franquelo, Jose Rodriguez, Marcelo A. Perez, Jose I. Leon, «High-Performance Motor Drives», IEEE Industrial Electronicsd, vol. 5, no. 3, pp. 6-26, Sep.2011.

Схемы самодельных частотных преобразоваелей

Подробности

Категория: Источники питания

Одна из первых схем преобразователя для питания трехфазного двигателя была опубликована в журнале «Радио» №11 1999г. Разработчик схемы М. Мухин в то время был учеником 10 класса и занимался в радиокружке.

Преобразователь предназначался для питания миниатюрного трехфазного двигателя ДИД-5ТА, который использовался в станке для сверления печатных плат. При этом следует отметить, что рабочая частота этого двигателя 400Гц, а напряжение питания 27В. Кроме того, средняя точка двигателя (при соединении обмоток «звездой») выведена наружу, что позволило предельно упростить схему: понадобилось всего три выходных сигнала, а на каждую фазу потребовался всего один выходной ключ. Схема генератора показана на рисунке 1.

Как видно из схемы преобразователь состоит из трех частей: генератора-формирователя импульсов трехфазной последовательности на микросхемах DD1…DD3, трех ключей на составных транзисторах (VT1…VT6) и собственно электродвигателя M1.

На рисунке 2 показаны временные диаграммы импульсов, сформированных генератором-формирователем. Задающий генератор выполнен на микросхеме DD1. С помощью резистора R2 можно установить требуемую частоту вращения двигателя, а также изменять ее в некоторых пределах. Более подробную информацию о схеме можно узнать в указанном выше журнале. Следует отметить, что по современной терминологии подобные генераторы-формирователи называются контроллерами.

Рисунок 1.

Рисунок 2. Временные диаграммы импульсов генератора.

На базе рассмотренного контроллера А. Дубровским из г. Новополоцка Витебской обл. была разработана конструкция частотно-регулируемого привода для двигателя с питанием от сети переменного тока напряжением 220В. Схема устройства была опубликована в журнале «Радио» 2001г. №4.

В этой схеме, практически без изменений, используется только что рассмотренный контроллер по схеме М. Мухина. Выходные сигналы с элементов DD3.2, DD3.3 и DD3.4 используются для управления выходными ключами A1, A2, и A3, к которым подключается электродвигатель. На схеме полностью показан ключ A1, остальные идентичны. Полностью схема устройства показана на рисунке 3.

Рисунок 3.

Подключение двигателя к выходу трехфазного инвертора

Для ознакомления с подключением двигателя к выходным ключам стоит рассмотреть упрощенную схему, приведенную на рисунке 4.

Рисунок 4.

На рисунке показан электродвигатель M, управляемый ключами V1…V6. Полупроводниковые элементы для упрощения схемы показаны в виде механических контактов. Питание электродвигателя осуществляется постоянным напряжением Ud получаемым от выпрямителя (на рисунке не показан). При этом, ключи V1, V3, V5 называются верхними, а ключи V2, V4, V6 нижними.

Совершенно очевидно, что открытие одновременно верхних и нижних ключей, а именно парами V1&V6, V3&V6, V5&V2 совершенно недопустимо: произойдет короткое замыкание. Поэтому, для нормальной работы такой ключевой схемы, обязательно, чтобы к моменту открытия нижнего ключа верхний ключ уже был закрыт. С этой целью контроллеры управления формируют паузу, часто называемую «мертвой зоной».

Величина этой паузы такова, чтобы обеспечить гарантированное закрытие силовых транзисторов. Если эта пауза будет недостаточна, то возможно кратковременное открытие верхнего и нижнего ключа одновременно. Это вызывает нагрев выходных транзисторов, часто приводящий к выходу их из строя. Такую ситуацию называют сквозными токами.

Вернемся к схеме, показанной на рисунке 3. В данном случае верхними ключами являются транзисторы 1VT3, а нижними 1VT6. Нетрудно заметить, что нижние ключи гальванически связаны с управляющим устройством и межу собой. Поэтому управляющий сигнал с выхода 3 элемента DD3.2 через резисторы 1R1 и 1R3 подаются непосредственно на базу составного транзистора 1VT4…1VT5. Этот составной транзистор есть не что иное, как драйвер нижнего ключа. В точности также от элементов DD3, DD4 управляются составные транзисторы драйверов нижнего ключа каналов A2 и A3. Питание всех трех каналов осуществляется от одного и того же выпрямителя на диодном мосте VD2.

Верхние же ключи гальванической связи с общим проводом и управляющим устройством не имеют, поэтому для управления ими кроме драйвера на составном транзисторе 1VT1…1VT2 пришлось в каждый канал установить дополнительный оптрон 1U1. Выходной транзистор оптрона в этой схеме также выполняет функцию дополнительного инвертора: когда на выходе 3 элемента DD3.2 высокий уровень открыт транзистор верхнего ключа 1VT3.

Для питания каждого драйвера верхнего ключа используется отдельный выпрямитель 1VD1, 1C1. Каждый выпрямитель питается от индивидуальной обмотки трансформатора, что можно рассматривать как недостаток схемы.

Конденсатор 1C2 обеспечивает задержку переключения ключей около 100 микросекунд, столько же дает оптрон 1U1, тем самым формируется вышеупомянутая «мертвая зона».

Достаточно ли только регулирования частоты?

С понижением частоты питающего переменного напряжения падает индуктивное сопротивление обмоток двигателя (достаточно вспомнить формулу индуктивного сопротивления), что приводит к увеличению тока через обмотки, и, как следствие, к перегреву обмоток. Также происходит насыщение магнитопровода статора. Чтобы избежать этих негативных последствий, при уменьшении частоты приходится снижать и эффективное значение напряжения на обмотках двигателя.

Одним из способов решения проблемы в любительских частотниках предлагалось это самое эффективное значение регулировать при помощи ЛАТРа, подвижный контакт которого имел механическую связь с переменным резистором регулятора частоты. Такой способ был рекомендован в статье С. Калугина «Доработка регулятора частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей». Журнал «Радио» 2002, №3, стр.31.

В любительских условиях механический узел получался в изготовлении сложным, а главное ненадежным. Более простой и надежный способ использования автотрансформатора был предложен Э. Мурадханяном из Еревана в журнале «Радио» №12 2004. Схема этого устройства показана на рисунках 5 и 6.

Напряжение сети 220В подается на автотрансформатор T1, а с его подвижного контакта на выпрямительный мост VD1 с фильтром C1, L1, C2. На выходе фильтра получается изменяемое постоянное напряжение Uрег, используемое собственно для питания двигателя.

Рисунок 5.

Напряжение Uрег через резистор R1 также подается на задающий генератор DA1, выполненный на микросхеме КР1006ВИ1 (импортный вариант NE555). В результате такого подключения обычный генератор прямоугольных импульсов превращается в ГУН (генератор, управляемый напряжением). Поэтому, при увеличении напряжения Uрег увеличивается и частота генератора DA1, что приводит к увеличению частоты вращения двигателя. При снижении напряжения Uрег пропорционально уменьшается и частота задающего генератора, что позволяет избежать перегрев обмоток и перенасыщение магнитопровода статора.

Рисунок 6.

В той же журнальной статье автор предлагает вариант задающего генератора, который позволяет избавиться от использования автотрансформатора. Схема генератора показана на рисунке 7.

Рисунок 7.

Генератор выполнен на втором триггере микросхемы DD3, на схеме обозначен как DD3.2. Частота задается конденсатором C1, регулировка частоты осуществляется переменным резистором R2. Вместе с регулировкой частоты изменяется и длительность импульса на выходе генератора: при понижении частоты длительность уменьшается, поэтому напряжение на обмотках двигателя падает. Такой принцип управления называется широтно импульсной модуляцией (ШИМ).

В рассматриваемой любительской схеме мощность двигателя невелика, питание двигателя производится прямоугольными импульсами, поэтому ШИМ достаточно примитивна. В реальных промышленных частотных преобразователях большой мощности ШИМ предназначена для формирования на выходе напряжений практически синусоидальной формы, как показано на рисунке 8, и для реализации работы с различными нагрузками: при постоянном моменте, при постоянной мощности и при вентиляторной нагрузке.

Рисунок 8. Форма выходного напряжения одной фазы трехфазного инвертора с ШИМ.

Силовая часть схемы

Современные фирменные частотники имеют на выходе мощные транзисторы структуры MOSFET или IGBT, специально предназначенные для работы в преобразователях частоты. В ряде случаев эти транзисторы объединены в модули, что в целом улучшает показатели всей конструкции. Управление этими транзисторами производится с помощью специализированных микросхем-драйверов. В некоторых моделях драйверы выпускаются встроенными в транзисторные модули.

Наиболее распространены в настоящее время микросхемы и транзисторы фирмы International Rectifier. В описываемой схеме вполне возможно применить драйверы IR2130 или IR2132. В одном корпусе такой микросхемы содержится сразу шесть драйверов: три для нижнего ключа и три для верхнего, что позволяет легко собрать трехфазный мостовой выходной каскад. Кроме основной функции эти драйверы содержат также несколько дополнительных, например защита от перегрузок и коротких замыканий. Более подробную информацию об этих драйверах можно узнать из технических описаний Data Sheet на соответствующие микросхемы.

При всех достоинствах единственный недостаток этих микросхем их высокая цена, поэтому автор конструкции пошел другим, более простым, дешевым, и в то же время работоспособным путем: специализированные микросхемы-драйверы заменены микросхемами интегрального таймера КР1006ВИ1 (NE555).

Выходные ключи на интегральных таймерах

Если вернуться к рисунку 6, то можно заметить, что схема имеет для каждой из трех фаз выходные сигналы, обозначенные как «Н» и «В». Наличие этих сигналов позволяет раздельно управлять верхними и нижними ключами. Такое разделение позволяет формировать паузу между переключением верхних и нижних ключей при помощи блока управления, а не самими ключами, как было показано в схеме на рисунке 3.

Схема выходных ключей с применением микросхем КР1006ВИ1 (NE555) показана на рисунке 9. Естественно, что для трехфазного преобразователя понадобится три экземпляра таких ключей.

Рисунок 9.

В качестве драйверов верхних (VT1) и нижних (VT2) ключей используются микросхемы КР1006ВИ1, включенные по схеме триггеров Шмидта. С их помощью возможно получить импульсный ток затвора не менее 200мА, что позволяет получить достаточно надежное и быстрое управление выходными транзисторами.

Микросхемы нижних ключей DA2 имеют гальваническую связь с источником питания +12В и, соответственно, с блоком управления, поэтому их питание осуществляется от этого источника. Микросхемы верхних ключей можно запитать так же, как было показано на рисунке 3 с использованием дополнительных выпрямителей и отдельных обмоток на трансформаторе. Но в данной схеме применяется иной, так называемый, «бустрепный» метод питания, смысл которого в следующем. Микросхема DA1 получает питание от электролитического конденсатора C1, заряд которого происходит по цепи: +12В, VD1, C1, открытый транзистор VT2 (через электроды сток – исток), «общий».

Другими словами заряд конденсатора C1 происходит в то время, когда открыт транзистор нижнего ключа. В этот момент минусовой вывод конденсатора С1 оказывается практически накоротко соединен с общим проводом (сопротивление открытого участка «сток – исток» у мощных полевых транзисторов составляет тысячные доли Ома!), что и обеспечивает возможность его заряда.

При закрытом транзисторе VT2 также закроется и диод VD1, заряд конденсатора C1 прекратится до следующего открытия транзистора VT2. Но заряд конденсатора C1 достаточен для питания микросхемы DA1 на время, пока закрыт транзистор VT2. Естественно, что в этот момент транзистор верхнего ключа находится в закрытом состоянии. Данная схема силовых ключей оказалась настолько хороша, что без изменений применяется и в других любительских конструкциях.

В данной статье рассмотрены лишь самые простые схемы любительских трехфазных инверторов на микросхемах малой и средней степени интеграции, с которых все начиналось, и где можно даже по схеме рассмотреть все «изнутри». Более современные конструкции выполнены с применением микроконтроллеров, чаще всего серии PIC, схемы которых также неоднократно публиковались в журналах «Радио».

Микроконтроллерные блоки управления по схеме более просты, чем на микросхемах средней степени интеграции, имеют такие нужные функции, как плавный пуск двигателя, защита от перегрузок и коротких замыканий и некоторые другие. В этих блоках все реализовано за счет управляющих программ или как их принято называть «прошивок». Именно от этих программ и зависит насколько хорошо или плохо будет работать блок управления трехфазного инвертора.

Достаточно простые схемы контроллеров трехфазного инвертора опубликованы в журнале «Радио» 2008 №12. Статья называется «Задающий генератор для трехфазного инвертора». Автор статьи А. Долгий является также автором цикла статей о микроконтроллерах и многих других конструкций. В статье приведены две простых схемы на микроконтроллерах PIC12F629 и PIC16F628.

Частота вращения в обеих схемах изменяется ступенчато с помощью однополюсных переключателей, что вполне достаточно во многих практических случаях. Там же дается ссылка где можно скачать готовые «прошивки», и, более того, специальную программу, с помощью которой можно изменять параметры «прошивок» по своему усмотрению. Возможна также работа генераторов режиме «демо». В этом режиме частота генератора уменьшена в 32 раза, что позволяет визуально с помощью светодиодов наблюдать работу генераторов. Также даются рекомендации по подключению силовой части.

Но, если не хочется заниматься программированием микроконтроллера фирма Motorola выпустила специализированный интеллектуальный контроллер MC3PHAC, предназначенный для систем управления 3-фазным двигателем. На его базе возможно создание недорогих систем регулируемого трехфазного привода, содержащего все необходимые функции для управления и защиты. Подобные микроконтроллеры находят все более широкое применение в различной бытовой технике, например, в посудомоечных машинах или холодильниках.

В комплекте с контроллером MC3PHAC возможно использование готовых силовых модулей, например IRAMS10UP60A разработанных фирмой International Rectifier. Модули содержат шесть силовых ключей и схему управления. Более подробно с этими элементами можно в их документации Data Sheet, которую достаточно просто найти в интернете.

Борис Аладышкин

Добавить комментарий

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.

Преобразователь частоты для асинхронного – схема

Разное

Главная  Радиолюбителю  Разное

---

Асинхронный двигатель (машина) – это электрический двигатель, частота вращения которого не совпадает с частотой тока (ЭДС), прикладываемого к статору.

Рис. 1. Асинхронный двигатель

К преимуществам таких двигателей можно отнести их низкую стоимость, простоту изготовления и эксплуатации, а также возможность прямого включения (без регулирования или преобразования питающего тока). Есть у них и недостатки: высокие требования к пусковому току, сложная регулировка оборотов, низкий коэффициент мощности и др.

Здесь стоит отметить, что асинхронные двигатели рассчитаны на работу только с трехфазным напряжением, только в этом случае не требуются никакие преобразователи.

Однако, в быту часто требуется запитать асинхронный двигатель от обычной сети переменного тока с одной фазой, и именно здесь кроется основная проблема.

Необходимость использования частотного преобразователя

Есть несколько способов управления асинхронным двигателем, и один из них – регулировка частоты.

Изменяя частоту питающего тока, вы меняете частоту вращения двигателя, можете запустить его или наоборот – остановить.

В качестве преобразователя напряжения наибольшее распространение нашли инверторные схемы. Они обеспечивают широкий диапазон регулировки частот, обладают высоким КПД и другими отличными техническими характеристиками.

Схему работы инверторов можно изобразить следующим образом.

Рис. 2. Схема работы инверторов

Однофазное переменное напряжение преобразуется в постоянное, подается в блок с импульсным инвертором, который формирует три независимых переменных напряжения (одинакового уровня, но со смещенной фазой) — ключа.

Схема инверторного преобразователя для асинхронного двигателя

Преобразователи можно приобрести в готовом виде, а можно изготовить своими руками.
Сложность проектирования и создания таких схем заключается в логике их работы. В настоящее время с приходом программируемых контроллеров Arduino и т.п. имеется возможность создавать сложные схемы с широким диапазоном регулировки частот всех трех питающих напряжений. Однако, для начала рассмотрим простые варианты.

Двигатель ДИД-0.5ТА (напряжение питания около 27 В, частота вращения – до 400 Гц) имеет небольшую мощность и широко применяется в системах автоматики. Чтобы привести его в движение и отрегулировать частоту вращения вала можно использовать следующую схему.

Рис. 3. Схема двигателя

По сути она представляет собой три разделенных генератора частоты (ключа) на базе логических элементов.

За регулировку отвечает резистор R2. Такая схема не подойдет для запуска асинхронных двигателей, работающих от трехфазного напряжения 380 В.

Для этих целей можно использовать адаптированную схему.

Рис. 4. Адаптированная схема

Здесь блоки выходных ключей A2 и А3 изображены схематично, так как полностью дублируют блок А1.

Программировать здесь ничего не нужно.

Более сложные реализации

Многие производители предлагают специальные контроллеры, на базе которых управление асинхронными двигателями существенно упрощается.

Один из таких вариантов – контроллер MC3PHAC.

Рекомендуемая производителем схема подключения.

Рис. 5. Схема подключения

Реализация платы частотного преобразователя может быть, например, такой.

Рис. 6. Реализация платы частотного преобразователя

Обмен данными по последовательному интерфейсу RS232 с персональным компьютером не обязателен. Схема может работать автономно.

Управляющие сигналы и процедуры инициализации можно уточнить в даташите производителя.

Еще один вариант с готовой прошивкой для микроконтроллера

Схема использовалась для питания трехфазного двигателя на пилораме (наверное, самый популярный способ использования трехфазных двигателей).

Рис. 7. Схема для питания трехфазного двигателя

Блок питания к ней.

Рис. 8. Схема блока питания

Вариант печатной платы.

Рис. 9. Печатная плата

Частота может регулироваться в диапазоне 2,5-50 Гц с шагом 1,25. ШИМ – 1700 – 3300 Гц. Мощность двигателя – не более 4 кВт.

После одиночного короткого нажатия на кнопку «пуск» подается пусковая частота – 10 Гц. А удерживание инициирует дальнейший разгон до 50 Гц (в течении приблизительно 2 секунд).

Прошивка для контроллера PIC16F628(A) здесь.

Автор: RadioRadar

Дата публикации: 06.02.2018

Мнения читателей

• Дмитрий / 16.10.2019 — 18:34
  Здравствуйте,а можно какой-нибудь список элементов и т.д? Просто на фотографии плохо видно.
• admin / 07.10.2019 — 16:05
  ->Сергей->fixed
• admin / 07.10.2019 — 15:12
  Да, есть проблема, проверим, поправим, на почту архив вышлем. Спасибо.
• Сергей / 07.10.2019 — 14:21
  Если возможно прошу указать другой адрес прошивки или выслать файл в по личку. При обращении к ссылке указанной Вами выше — выдается сообщение о Зараженности данного ресурса вирусо. По содержанию статьи- ОЧЕНЬ ПОДРОБНО И СОДЕРЖАТЕЛЬНО. Вам РЕСПЕКТ. Сергей. [email protected]

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному вышематериалу:

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

Частотный преобразователь — принцип работы, схема подключения частотника

Чтобы подключить частотник к асинхронному трёхфазному двигателю, следует хотя бы на минимальном уровне разбираться в схеме его подключения и принципах работы. Нижеприведённая информация позволяет изучить данную тему.

Принцип управления электродвигателем

Ротор электрического двигателя функционирует благодаря вращению электромагнитных полей под статорной обмоткой. Скорость движения ротора находится в зависимости от промышленной частоты питающей сети.

Стандартное её значение составляет 50Гц и вызывает соответственно пятьдесят колебательных периодов за секунду. На протяжении минуты количество оборотов увеличивается до трёх тысяч. Настолько же часто осуществляются обороты ротора подвергаемого воздействию электромагнитных полей.

При изменении уровня прилагаемой к статору частоты, появляется возможность управления вращательной скоростью ротора и соединяемого с ним привода. Именно благодаря этому принципу осуществляется управление электродвигателем.

Классификация частотных преобразователей

По своим конструктивным различиям модели частотного преобразователя делятся на:

Индукционные.

Сюда относятся электрические двигатели имеющие асинхронный принцип работы. Данные устройства не отличаются высоким уровнем КПД и значительной эффективностью. Ввиду этих качеств они не имеют большой доли в общем числе преобразователей и редко применяются.

Электронные.

Пригодны для осуществления плавного управления оборотами в машинах асинхронного и синхронного типа. Управление в электронных моделях может производиться двумя способами:

Скалярный (согласно предварительно введённым параметрам взаимозависимости вращательной V и частоты).

Наиболее простой подход к управлению, довольно неточный.

Векторный.

Отличительной характеристикой является точность управления.

Векторное управление преобразователем частот

Принцип работы векторного управления заключается в следующем: при нём оказывается воздействие на магнитный поток, изменяя направление его «пространственного вектора» и регулирующий роторную частоту поля.

Создать рабочий алгоритм частотного преобразователя с векторным управлением можно при помощи двух способов:

Бессенсорное управление.

Осуществляется за счёт назначения зависимостей чередования между последовательностями широтно-импульсных модуляций инвертора для предварительно составленных алгоритмов. Регуляция размера амплитуды и выходной частоты, которую имеет напряжение, осуществляется в соответствии со скольжением и нагрузочным током, но обратная связь от роторной вращательной скорости не учитывается.

Потокорегулирование.

Рабочие токи устройства регулируются. При этом они раскладываются на активный и реактивный компонент. Это облегчает возможность внесения корректирующих изменений в рабочий процесс (изменение амплитуд, частот, векторных углов, которые имеет напряжение на выходе).

Способствует повышению точности и диапазона регуляции вращений асинхронного двигателя. Весьма актуален такой подход для устройства с малыми оборотами и высоким уровнем двигательных нагрузок.

В целом, схема векторного управления более прочих подходит для динамической регулировки вращающегося момента трёхфазного асинхронного двигателя.

Подключение транзисторных ключей

Все шесть IGBT-транзисторов соединяются с соответствующими диодами обратного тока с соблюдением встречно-параллельной схемы. После по цепи силового подключения, образуемой каждым транзистором происходит прохождение активного тока асинхронного двигателя, с последующим направлением его реактивной составляющей через диоды. С целью обеспечения безопасности инвертора и асинхронного двигателя от воздействия сторонних электрических помех конструкция преобразователя частоты может включать в себя помехозащитные фильтры. Если промышленные источники постоянного тока имеют рабочее напряжение в 220 В, то они также могут использоваться для запитывания инверторов.

Как подключить частотник к асинхронному двигателю?

Используемый для управления частотой напряжения преобразователь зачастую используется для энергоснабжения трёхфазных двигателей.  С помощью преобразователя частоты также возможно обеспечить присоединение такого устройства к однофазной сети, предотвратив снижение его рабочей мощности. Этим они значимо выигрывают у конденсаторов, которые при подключении не могут сохранить исходный уровень мощности. Подробней про применение частотника для трехфазника- смотрите здесь.

При подключении частотного преобразователя следует предварительно разместить автоматический выключатель, функционирующий от тока сети по значению равного номинальному (или наиболее близкого к таковому) уровню потребления тока в двигателе. Если используется частотник трёхфазного типа, то соответственно следует воспользоваться трёхфазным автоматом с общим рычагом. Такой вариант обеспечивает быстрое обесточивание всех фаз сразу при замыкании на одной из них.

Ток срабатывания по своим характеристикам должен совпадать с однофазным током электрического двигателя.

В случае же, если для частотного преобразователя свойственно однофазное питание, то следует применить одинарный автомат, который подходит для работы с утроенным однофазным током.

Однако, при любых обстоятельствах установку частотного преобразователя нельзя осуществлять через включение автомата в месте разрыва нулевых или заземляющих проводов. В таких условиях подразумевается только прямое включение автомата.

Дальнейшую настройку преобразователя частоты осуществляют через соединение с контактами электрического двигателя. Используются при этом фазные провода. Но предварительно производится соединение обмоток электрического двигателя по схеме «звезда» или «треугольник».

Работа по той или иной схеме базируется на том, каков тип преобразователя частоты и характер производимого им напряжения.

По стандарту корпус каждого двигателя имеет отметку с двумя значениями, которым может равняться напряжение. Если частотник продуцирует напряжение соответствующее нижней границы, то соединение осуществляется по типу «треугольник». В остальных случаях для использования принцип «звезды».

Месторасположение управляющего пульта, обязательно прилагающегося при покупке частотного преобразователя, следует подбирать тщательно, чтобы обеспечить наибольшее удобство пользования.

Подключения пульта управления осуществляется по схеме обозначенной в прилагаемой к преобразователю инструкции. После рукоятка фиксируется на нулевом уровне, и автомат включается. В этот момент должно наблюдаться свечение светового индикатора.

Для использования частотного преобразователя, следует надавить кнопку «RUN» (она уже запрограммирована надлежащим образом). Далее делается лёгкий поворот рукоятки, провоцирующий старт постепенного вращения электрического двигателя. Если вращение осуществляется в направлении, противоположном необходимому, то следует нажать реверс. После при помощи рукоятки настраивается требуемая частота вращения устройства. При этом следует учитывать, что на корпусе пульта управления зачастую прописаны не уровни частоты вращения двигателя, выражаемые в оборотах в минуту, а частоты, которую имеет питающее напряжение, выражаемое в герцах.

Чтобы ограничить пусковой ток и снизить пусковой момент в момент пуска асинхронного двигателя с уровнем мощности больше 5000Вт, используется подключение типа «звезда-треугольник». До достижения номинала скорости задействуется схема подключения частотного преобразователя «звезда», а после питание осуществляется по схеме «треугольник». В момент переключения уровень пускового тока уменьшается в три раза относительно прямого пуска. При начале работы по второй схеме до момента разгона двигателей ток возрастёт до уровня прямого пуска. Такой варианты наиболее актуален для, имеющих большую маховую массу, позволяя после разгона сбросить нагрузку.

Логично, что использование такой схемы возможно только с двигателями, рассчитанными на подключения обоих типов.

Проведение работы по схеме «звезда-треугольник» всегда чревато резкими скачками уровня тока в противовес плавному нарастанию в условиях прямого пуска. В момент смены соединения скорость резко снижается и увеличить её можно только увеличив силу тока.

Частотный преобразователь.Как подключить трёхфазный электродвигатель от 220В.

Watch this video on YouTube

Частотный преобразователь — принцип работы, схема подключения, фото и видео материал

Электрическая оснащенность современных зданий (жилых и нежилых) – это не только удобство, это определенные проблемы, связанные с подбором одного электрического прибора для работы остальных или эффективной работы целой системы. К примеру, асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, который сегодня используется повсеместно, даже в быту. Так вот вращается он с определенной скоростью, что не всегда удобно. Изменить скорость вращения можно двумя способами: механическим, установив редуктор, как промежуточную часть, и электрическим, установив частотный преобразователь. В этой стать будем говорить именно о втором приборе. Итак, частотный преобразователь – принцип работы, устройство, положительные и отрицательные стороны.

Частотные преобразователи служат для регулирования скорости асинхронного двигателя

С чего необходимо начать наш разговор? Электродвигатель при пуске потребляет большой ток, который называется пусковым. Он раз в семь превышает номинальный. Так вот частотный преобразователь снижает величину пускового тока в пять раз, при этом запуск электродвигателя происходит плавно. А так как пусковой ток снижает свои значения, значит, это неплохая экономия электроэнергии. Тестирования показали, что экономия составляет до 50%.

Принцип работы

Нас в первую очередь интересует принцип работы частотного преобразователя. Но начать надо с его устройства (со схемы). По сути, преобразователь – это инвертор с двухэтапным преобразованием напряжения. Вот его схема:

• Первый этап – это выпрямление и сглаживание напряжения сети или 220 В, или 380 В. Сначала ток проходит через диодный мост, где выпрямляется. Затем проходит через конденсаторы, где фильтруется и сглаживается. То есть, на выходе получается напряжение постоянного тока.
• Второй этап – это необходимость перевести постоянное напряжение в переменное. Для этого в прибор установлены специальные микросхемы управления или инвертор на транзисторах.

Принцип работы на схеме

А вот теперь принцип работы. С получением постоянного напряжения все понятно. Как же образуется переменный ток с разной частотой и амплитудой? Система управления выдает сигналы, которые поступают на обмотки электродвигателя. Соединение обмоток и преобразователя частоты производится через силовые транзисторы инвертора, у которого есть положительный и отрицательный полюс. Длительность подключения каждой обмотки формируется по синусоидальной кривой, где учитывается период следования импульсов.

В середине полупериода ширина импульсов самая большая, в начале и конце – самая маленькая. Именно на этом и основывается система управления, которая обеспечивает широтно-импульсную модуляцию напряжения (ШИМ). При этом амплитуда и частота напряжения зависят от параметров и характеристик синусоидальной кривой.

Необходимо отметить, что существуют частотные преобразователи, в которых настройка производится вручную и автоматически.

Критерии выбора частотного преобразователя

Существует несколько параметров, которые необходимо учитывать, выбирая частотный преобразователь. Вот основные из них.

Функциональность

Конкуренция на рынке жесткая, так что производители стараются наделить свои преобразователи различными функциями. Правда, при этом создают базовую функциональность, которая и закладывается в себестоимость изделия. Все остальные функции – это бонусы, поэтому стоит обращать внимание именно на базу.

Способ управления

Здесь выбор стоит между скалярным и векторным управлением. Вторые дороже, но со сниженной статистической ошибкой. Первые – это приборы, которые поддерживают одно и то же соотношение между напряжением и частотой. К примеру, для вентиляторов данная схема управления бывает достаточной.

Мощность

Тут все понятно, преобразователь должен выдерживать мощность потребителя. Оптимальный же вариант – это когда, к примеру, установка циркуляционного насоса для отопительной системы требует установки той же марки частотного преобразователя для насоса. К тому же обязательно узнайте, есть ли в вашем городе сервисный центр, который отремонтирует купленный вами прибор.

Сетевое напряжение

Напряжение в отечественных подающих сетях оставляет желать лучшего. То оно падает ниже 180 вольт, то взлетает выше 270 вольт. Поэтому, выбирая частотный преобразователь, необходимо обратить внимание на диапазон напряжений, в пределах которых он может работать. Оптимальный вариант – максимальный диапазон.

Схемы подключения

Схема подключения частотного преобразователя к электродвигателю может производиться от одно- или 3-х фазных сетей. При этом к однофазной сети можно подключить однофазный преобразователь или трехфазный с установкой конденсаторного блока. Но необходимо учитывать тот факт, что при подключении трехфазного преобразователя к однофазной сети произойдет падение мощности. Подключение производится по схеме треугольник. В трехфазном подключении используется только схема звезда.

Обратите внимание, что при использовании электродвигателя мощность больше 5 кВт для снижения пускового момента, можно применять переход звезда-треугольник. То есть, при пуске, чтобы он был плавным, статор подключается по схеме звезда. Как только мотор наберет номинальное вращение статора, схема переключится на треугольник. Единственный момент, на который необходимо обратить внимание, это возможность работы трехфазного двигателя и по схеме звезда, и по схеме треугольник.