Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике

ПОИСК ПО САЙТУ:

 
  
  

 

Справочник электрика » Электротехнические устройства

Виды частотных преобразователей

 

Для преобразования сетевого переменного напряжения промышленной частоты 50/60 Гц в переменное напряжение другой частоты используют устройства, называемые частотными преобразователями. Выходная частота преобразователя частоты может варьироваться в широких пределах, обычно — от 0,5 до 400 Гц. Более высокие частоты неприемлемы для современных двигателей в силу особенностей материалов, из которых изготавливаются сердечники статора и ротора.

Любой частотный преобразователь включает в себя две основные части: управляющую и силовую. Управляющая часть представляет собой схему на цифровой микросхеме, которая обеспечивает управление ключами силовой части, а также служит для контроля, диагностики и защиты питаемого привода и самого преобразователя.

Виды частотных преобразователей

Силовая часть включает в себя непосредственно ключи — мощные транзисторы или тиристоры. При этом частотные преобразователи бывают двух видов: с выраженным участком постоянного тока или с прямой связью. Преобразователи с непосредственной связью имеют КПД до 98%, и способны работать со значительными напряжениями и токами. Вообще, каждый из двух названных видов частотников отличается индивидуальными достоинствами и недостатками, и для различных применений может оказаться рациональным применить тот либо другой.

С непосредственной связью

Частотные преобразователи с прямой гальванической связью появились на рынке первыми, их силовая часть — это управляемый тиристорный выпрямитель, в котором поочередно открываются определенные группы запираемых тиристоров, и по очереди подключают к сети обмотки статора. То есть в итоге напряжение, подаваемое на статор, по форме представляет собой кусочки сетевой синусоиды, которые и подаются поочередно на обмотки.

Синусоидальное напряжение превращается на выходе в пилообразное. Частота получается ниже сетевой — от 0,5 до примерно 40 Гц. Очевидно, области применения преобразователей такого типа получается ограниченной. Тиристоры же незапираемые требуют более сложных схем управления, что повышает стоимость данных приборов.

Частотный преобразователь с непосредственной связью

Кусочки синусоиды на выходе порождают высшие гармоники, а это дополнительные потери и перегрев двигателя со снижением вращающего момента на валу, кроме того в сеть идут неслабые помехи. Если применяются устройства компенсации, то опять же стоимость возрастает, габариты и масса увеличиваются, снижается КПД преобразователя.

Преобразование частоты

К достоинствам частотников с непосредственной гальванической связью относятся:

  • возможность продолжительной работы со значительными напряжениями и токами;
  • стойкость к импульсным перегрузкам;
  • КПД до 98%;
  • применимость в высоковольтных цепях от 3 до 10 кВ и даже выше.

При этом высоковольтные частотные преобразователи, конечно, выходят дороже низковольтных. Раньше использовались всюду где необходимо — именно тиристорные преобразователи с непосредственной связью.

С выраженным звеном постоянного тока

Для современных приводов, с целью частотного регулирования, более широко применяются частотные преобразователи с выраженным блоком постоянного тока. Здесь преобразование выполняется в два шага. Сначала входное сетевое напряжение выпрямляется и фильтруется, сглаживается, затем подается на инвертор, где преобразуется в переменный ток требуемой частоты и напряжение необходимой амплитуды.

КПД при таком двойном преобразовании снижается, да и габариты устройства становятся несколько больше, нежели у преобразователей с непосредственной электрической связью. Синусоида формируется здесь автономным инвертором тока и напряжения.

В частотных преобразователях со звеном постоянного тока в качестве силовых ключей выступают запираемые тиристоры или IGBT-транзисторы. Запираемые тиристоры использовались в основном в первых выпускаемых частотных преобразователях такого типа, затем, с появлением на рынке IGBT-транзисторов, именно преобразователи на данных транзисторах стали доминировать среди низковольтных устройств.

Частотный преобразователь с выраженным звеном постоянного тока

Для включения тиристора достаточно короткого импульса, поданного на управляющий электрод, а для выключения нужно приложить к тиристору обратное напряжение или сбросить ток коммутации до нуля. Требуется специальная схема управления — сложная и габаритная. Биполярные же IGBT-транзисторы обладают более гибкой управляемостью, менее энергозатратной и довольно высокоскоростной.

По этой причине именно частотные преобразователи на базе IGBT-транзисторов позволили расширить диапазон скоростей управления приводами: асинхронные двигатели векторного управления на базе IGBT-транзисторов могут спокойно работать на малых скоростях без потребности в датчиках обратной связи.

Микропроцессоры вкупе с быстродействующими транзисторами дают на выходе меньше высших гармоник, нежели тиристорные преобразователи. В результате потери оказываются меньше, меньше перегреваются обмотки и магнитопровод, пульсации ротора на низких частотах снижаются. Меньше потерь в конденсаторных батареях, в трансформаторах, - срок службы этих элементов увеличивается. Погрешностей при работе становится меньше.

Если сравнить тиристорный преобразователь с транзисторным той же выходной мощности, то второй будет меньше весить, будет меньше в размерах, его работа окажется более надежной и ровной. Модульное исполнение IGBT-ключей позволяет эффективнее отводить тепло, и требует меньше места для монтажа силовых элементов, к тому же модульные ключи лучше защищены от коммутационных перенапряжений, то есть вероятность отказа ниже.

Частотные преобразователи на базе IGBT стоят дороже, поскольку силовые модули являются сложными в производстве электронными компонентами. Тем не менее, цена оправдывается качеством. Статистика при этом свидетельствует о тенденции к снижению с каждым годом цен на IGBT-транзисторы.

Принцип работы частотного преобразователя на IGBT

На рисунке представлена схема частотного преобразователя и графики токов и напряжений на каждом из элементов. Переменное сетевое напряжение постоянной амплитуды и частоты подается на выпрямитель, который может быть управляемым или неуправляемым. После выпрямителя стоит конденсатор — емкостной фильтр. Эти два элемента — выпрямитель и конденсатор — образуют собой узел постоянного тока.

Принцип работы частотного преобразователя на IGBT

С фильтра уже постоянное напряжение подается на автономный импульсный инвертор, в котором и работают IGBT-транзисторы. На схеме представлено типичное для современных частотных преобразователей решение. Постоянное напряжение преобразуется в трехфазное импульсное с регулируемой частотой и амплитудой.

Система управления подает на каждый из ключей своевременно сигналы, и соответствующие обмотки последовательно коммутируются к звену постоянного тока. При этом продолжительность подключения обмоток к звену модулируется приближаясь к синусу. Так, в центральной части полупериода ширина импульсов наибольшая, а по краям — меньше всего. Здесь имеет место широтно-импульсная модуляция напряжения на обмотках статора двигателя. Частота ШИМ достигает обычно 15 кГц, и обмотки сами работают как индуктивный фильтр, в итоге токи через них практически синусоидальны.

Если на входе выпрямитель управляемый, то изменение амплитуды происходит посредством управления выпрямителем, а инвертор отвечает лишь за преобразование частоты. Иногда на выходе инвертора устанавливается дополнительный фильтр для гашения токовых пульсаций (очень редко к этому прибегают при малых мощностях преобразователей). Так или иначе, на выходе получается трехфазное напряжение и переменный ток с заданными пользователем основными параметрами.


Статьи близкие по теме:

  • Способы увеличения частоты тока
  • Силовая электроника
  • Совершенствование полупроводниковых преобразователей в системах автоматизир ...
  • Преобразователи электрической энергии
  • Частотный преобразователь - виды, принцип действия, схемы подключения




  • Наш сайт в Facebook:

    Школа для электрика | Основы электротехники | Электричество для чайников
    Электрические аппараты | Справочник электрика
     Электроснабжение | Электрические измерения | Электрические схемы
     Электромонтажные работы | Пусконаладочные работы | Эксплуатация электрооборудования

    Статьи и схемы

    » Школа для электрика
    » Электричество для чайников
    » Электробезопасность
    » Электрические схемы
    » Электроснабжение
    » Основы электротехники
    » Основы электроники
    » Электрические машины
    » Электрические аппараты
    » Автоматизация производственных процессов
    » Альтернативная энергетика
    » Заземление и молниезащита
    » Монтаж электрооборудования
    » Наладка электрооборудования
    » Релейная защита и автоматика
    » Ремонт электрооборудования
    » Экономия электроэнергии
    » Эксплуатация электрооборудования
    » Электрические измерения
    » Электрические системы и сети
    » Электрические станции и подстанции
    » Электрическое освещение
    » Электрооборудование промышленных предприятий
    » Электропривод
    » Электротехнические материалы
    » Электротехнология
    » Статьи на разные темы
    » Видеокурсы и другие обучающие материалы

    Климатическое оборудование IEK для электротехнических шкафов