Частотный преобразователь: принцип работы и построение схемы

Содержание

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.

Различные ПЧ,
которые нашли применение в частотных
асинхронных ЭП, можно разделить на две
группы, отлича­ющиеся используемыми
техническими средствами и структурой.

Первую
группу составляют так называемые
электромашинные
вращающиеся ПЧ,
в
которых для получения переменной частоты
используются обычные или специальные
электрические машины. На рис. 5.15 приведена
схема ПЧ с синхронным генератором 4,
от

которого
питаются три асинхронных двигателя
5…
7.
Преобразо­ватель
состоит из двух частей: агрегата
постоянной скорости, вклю­чающего
в себя асинхронный двигатель 1
(вместо
него может быть использован двигатель
любого типа) и приводимый им во враще­ние
генератор постоянного тока 2,
и
агрегата переменной скорос­ти,
состоящего из регулируемого двигателя
постоянного тока

3,
при­водящего
во вращение синхронный генератор
переменной часто­ты. Двигатель 1
питается
от сети со стандартной частотой f
= 50 Гц, а на выводах синхронного генератора
4
частота
и напряжение мо­гут регулироваться.
С помощью резистора R1,
в цепи обмотки воз­буждения генератора
2
изменяется
напряжение, подводимое к яко­рю
двигателя 3,
и
тем самым его скорость и скорость
генератора 4.
При
этом меняется частота напряжения на
выводах синхронного генератора 4,
определяемая
выражением fРЕГ
=рωсг
/(2π),
а
значит, и на двигателях 5… 7. Напряжение
на этих двигателях регулируется с
помощью резистора R3
включенного
в цепь обмотки возбуждения синхронного
генератора 4.

Применение
ПЧ позволяет плавно регулировать
скорость дви­гателей 5… 7 в широком
диапазоне, однако процесс регулирования
частоты в электромашинном ПЧ имеет
существенные недостатки. Для создания
такого преобразователя необходимы
четыре элек­трические машины,
рассчитанные на полную мощность
потребите­лей (группы АД), что определяет
его громоздкость и высокую цену, особенно
при больших мощностях нагрузки
. Двойное
преобразо­вание энергии — энергии
переменного тока с частотой f
= 50 Гц в энергию постоянного тока и затем
опять в энергию переменного тока
регулируемой частоты — сопровождается
потерей энергии во всей цепи, определяя
невысокий КПД системы.

В
настоящее время большое распространение
получили стати­ческие
ПЧ,
названные
так потому, что в них используются не
имею­щие движущихся частей элементы
и устройства, такие как полу­проводниковые
приборы, реакторы, конденсаторы и др.
Развитие статических ПЧ особенно
ускорилось в связи с массовым произ­водством
тиристоров и силовых транзисторов.
Использование ста­тических ПЧ позволило
повысить технико-экономические показатели
регулируемого частотного ЭП: увеличить
его КПД и быстродействие, устранить шум
и упростить обслуживание. Статические
ПЧ могут быть без звена постоянного
тока с непосредственной связью питающей
сети и нагрузки и с промежуточным звеном
постоянного тока
.

Схема
ПЧ
без звена постоянного тока
(позиция
1
на
рис. 5.16) включает в себя силовую часть
3, с которой
связан асинхронный двигатель 4,
и
блок управления 2.
С
и помощью этой схемы осуществляется
преобразование электрической энергии
переменного тока стандартных напряжения
U1,
и частоты f1
в энергию переменного тока с регулируемыми
напряжением U1РЕГ
и частотой f1рег.
Силовая часть ПЧ выполняется на базе
полупроводниковых приборов (тиристоров
или транзисторов), управляемых сигналами
с блока 2, и в некоторых случаях содержит
co­гласующие
трансформаторы.

Изменяя с помощью
системы управления момент подачи
импульсов на тиристоры, можно регулировать
напряжение нагрузки от 0 (α = 90°) до
максимального значения (α = 0).

Билет №14