Типы частотных преобразователей

Преобразователи частоты – аппараты для управления электроприводами на базе двигателей переменного тока. Устройства позволяет регулировать скорость и момент на валу синхронных, асинхронных машин с фазным и короткозамкнутым ротором, электродвигателей на постоянных магнитах.

Аппараты позволяют устранить главный недостаток электродвигателей переменного тока – сложности регулирования скорости и момента. Устройства снижают потребление электроэнергии, значительно уменьшают величину пусковых токов, позволяют осуществлять плавные старт и остановку. Рассмотрим классификацию частотных преобразователей.

Преобразователи частоты – аппараты для управления электроприводами на базе двигателей переменного тока. Устройства позволяет регулировать скорость и момент на валу синхронных, асинхронных машин с фазным и короткозамкнутым ротором, электродвигателей на постоянных магнитах.

Аппараты позволяют устранить главный недостаток электродвигателей переменного тока – сложности регулирования скорости и момента. Устройства снижают потребление электроэнергии, значительно уменьшают величину пусковых токов, позволяют осуществлять плавные старт и остановку. Рассмотрим классификацию частотных преобразователей.

Типы ПЧ по элементной базе

Различают 2 больших группы преобразователей частоты: электронные и электромашинные. Последние представляют собой двигатели переменного тока, работающие в режиме генератора. Из-за большой массы и габаритов, сложности конструкции электромашинные ПЧ используются очень ограниченно, область их применения – условия, где невозможно использовать электронные электроаппараты.

Электронные преобразователи построены на полупроводниковых ключах на следующей элементной базе:

• Тиристоры с управляющими электродами.
• Биполярные и полевые транзисторы.
• Биполярные транзисторы с изолированным затвором.

Тиристорные преобразователи частоты относительно недорого стоят, могут выдерживать значительные перегрузки по току. Недостатки таких ПЧ обусловлены ограниченным быстродействием ключей. Основная область применения устройств – мощные высоковольтные приводы.

Устройства на базе биполярных транзисторов распространения не получили и практически не производятся и практически не производятся. Причина в недостатках полупроводниковых элементов: большой температурой разброс параметров, малая плотность тока.

Биполярные с изолированным затвором и полевые транзисторы – основная база для преобразователей частоты. Полупроводниковые устройства отличает высокое быстродействие, высокое входным сопротивлением, небольшое остаточное напряжением в открытом состоянии, малые потери.

Виды преобразователей частоты по схемам

Две самые распространенные схемы конструктивной реализации частотных преобразователей – с непосредственной связью и звеном постоянного тока. Рассмотрим каждую схему подробнее.

Преобразователи частоты с непосредственной связью

Главная особенность таких устройств – наличие непосредственной гальванической связи с сетью. Устройство также построено на базе электронных ключей, чаще всего управляемых и неуправляемых тиристоров. Преобразование частоты осуществляется попеременным отрыванием и запиранием групп ключей. Форма напряжения на выходе – «резаная синусоида».

Устройства отличает:

• Невысокая стоимость.
• Высокий к.п.д. за счет отсутствия потерь на двойное преобразование.
• Возможность неограниченного увеличения мощности за счет подключения дополнительных модулей.
• Широкий диапазон регулирования скоростей, ниже номинальной.
• Возможность возврата электроэнергии в сеть в режиме торможения.
• Обеспечение стабильных характеристик на валу электродвигателя на малых скоростях.

К недостаткам относят возможность регулирования скорости двигателя только в диапазоне ниже номинального значения, высокий уровень искажений тока и напряжения, сложность схемы управления (для устройств с принудительной коммутацией ключей). Преобразователи частоты применяют в асинхронных приводах средней и высокой мощности (включая высоковольтные), работающих с большим количеством остановок, пусков, реверсов. Например, устройства широко применяют в тяговых и грузоподъемных механизмах.

Преобразователи частоты с звеном постоянного тока

В аппаратуре такого типа используется схема двойного преобразования: напряжение сети выпрямляется, сглаживается, преобразуется обратно в переменное заданной частоты. Преобразователи получили свое название из-за наличия звена постоянного тока: «выпрямитель – фильтр». Схема также содержит транзисторный или тиристорный инвертор и контроллер управления.

Устройства отличает:

• Возможность регулирования частоты в большом диапазоне выше и ниже номинальной скорости.
• Синусоидальная форма напряжения на выходе.
• Разнообразие алгоритмов регулирования скорости и момента.
• Возможность работы от сети постоянного тока при прямом включении инвертора.

К недостаткам относят высокую стоимость, относительно низкий к.п.д. за счет двойного преобразования.

ПЧ с выраженным звеном постоянного тока наиболее распространены. Основная область их применения – электроприводы самого различного оборудования до 660 В.

Различают также преобразователи частоты, построенные на базе инвертора тока и инвертора напряжения. Звено постоянного тока первых содержит индуктивный элемент. На выходе устройства поддерживается постоянная величина тока, которая не зависит от нагрузки. Аппараты такого типа применяются относительно редко.

Инверторы напряжения содержат конденсатор, подключенный после выпрямителя. На выходе таких устройств поддерживается постоянное значение величины напряжения, вне зависимости от нагрузки. Большинство преобразователей частоты построены по принципу инвертора напряжения.

Типы ПЧ по принципу управления

По принципу управления различают скалярные и векторные преобразователи частоты. Первые поддерживают постоянную величину отношения напряжение/частота или U/f.

Отношение U/f устанавливается в соответствии с паспортными данными электрической машины. Поддержание постоянной величины U/f обеспечивает неизменный магнитный поток в зазоре между ротором и статором. Это позволяет реализовать управление привода с постоянной, медленно меняющейся, нагрузкой, а также с нагрузкой обратно пропорциональной скорости.

Скалярные частотные преобразователи применяются для управления:

• Группами насосов и вентиляторов.
• Металло- деревообрабатывающих станками.
• Компрессорами.
• Другим оборудованием с постоянной или изменяющейся по известному закону нагрузкой.

Ограничивает применение таких устройств смягчение механической характеристики вне диапазона регулирования скорости 1:10, невозможность одновременного управления скоростью и моментом на валу, низкая перегрузочная способность, относительно невысокая скорость отклика при изменении исходных параметров.

Для увеличения диапазона скоростей до 1:40 при неизменной механической характеристики в схему скалярного привода вводился датчик, обеспечивающий обратную связь по скорости.

Главная особенность таких ПЧ – невысокая стоимость, благодаря простоте схемы управления. Преобразователи частоты со скалярным управлением широко применяются для несложного оборудования.

Устройства с векторным управлением регулирует величину частоты, напряжения и фазу данных параметров. Существует несколько способ такого управления:

• Полеориентированное
• Прямое управление моментом с векторной модуляцией напряжения.
• Прямое управление моментом с векторной модуляцией магнитного потока.
• Прямое управление моментом с таблицей включения.
• Прямое самоуправление.
• Адаптивное прямое управление моментом.

Векторные частотные преобразователи могут управлять моментом и угловой скоростью вала одновременно, обеспечивает стабильную механическую характеристику на низких частотах вращения, имеют высокую скорость отклика.

Устройства применяются:

• В оборудовании с динамичной нагрузкой.
• В высокоточных машинах и механизмах.
• В лифтовом и подъемном оборудовании.
• В других установках, где требуется точное управление моментом, скоростью, высокая скорость отклика.

При необходимости приводы с векторными частотными преобразователями можно комплектовать датчиками скорости, момента, положения вала.

Для реализаций векторного способа управления требуется контроллер или процессор большой вычислительной мощности. ПЧ такого типа стоят дороже скалярных устройств.

Ряд моделей преобразователей частоты могут управлять приводами векторным и скалярным методом. Режим управления можно выбрать при настройке.

Классификация ПЧ по другим параметрам

По классу напряжения различают высоковольтные и низковольтные устройства. Первые применятся для управления двигателями 6-10 кВт. Различают следующие виды устройств на напряжение более 1000 В:

• Двухтрансформаторные. В такой схеме используется низковольтный преобразователь частоты. Понижение напряжение осуществляется трансформатором на входе, после чего осуществляется преобразования напряжения до требуемой частоты, далее оно поступает на выходной трансформатор, где его величина повышается до номинального значения электродвигателя.
• Тиристорные. В устройствах применяют ключи на базе высоковольтных тиристоров на напряжение более 1000 В. Полупроводниковые элементы отлично выдерживают большие токи, могут работать при высоком напряжении.
• Многоуровневые. Схема таких ПЧ содержит трансформатор с несколькими обмотками и силовыми ячейками включенными последовательно. Работа модулей синхронизируется устройством управления. Таким образом, напряжение на каждой ячейке не превышает критического для транзисторных ключей значения, а на выход устройства поступает напряжение заданной частоты 6-10 кВ.

По назначению различают общепромышленные и специализированные преобразователи частоты. Первые содержат базовые настройки, универсальные для большинства типов оборудования. Специализированные устройства имеют предустановленные программы для приводов насосов, лифтов, вентиляторов или другого оборудования.