Перетворювач частоти: відмінності між версіями

Перетворювач частоти — електронний пристрій для зміни частоти електричного струму (напруги). Він перетворює вхідну синусоїдну напругу фіксованої частоти та амплітуди у вихідну імпульсну напругу змінної частоти та амплітуди за допомогою ШІМ (широтно-імпульсної модуляції). Таким чином, плавно збільшуючи частоту і амплітуду напруги, що подається на статорні обмотки асинхронного електродвигуна, можна забезпечити плавне регулювання швидкості обертання валу електродвигуна.

Електронний перетворювач частоти складається зі схем, до складу яких входить тиристор або транзистор, які працюють в режимі електронних ключів. В основі керуючої частини лежить мікропроцесор, який забезпечує керування силовими електронними ключами, а також вирішує велику кількість допоміжних завдань (контроль, діагностика, захист).

Схеми, створені за моделлю джерела напруги, мають такі характеристики:

• Вихідний імпеданс: маленький (джерело напруги)
• Регенерація енергії: потрібен додаткове коло
• Згладжувальний елемент: конденсатор

Схеми, створені за моделлю джерела струму, мають такі характеристки:

• Вихідний імпеданс: великий (джерело струму)
• Регенерація енергії: потрібне додаткове коло
• Згладжувальний елемент: реактор

Залежно від структури і принципу роботи електричного приводу виділяють два класи перетворювачів частоти:

• З безпосереднім зв'язком.
• З явно вираженою проміжною ланкою постійного струму.

Кожен з існуючих класів перетворювачів має свої переваги і недоліки, які визначають сферу раціонального застосування кожного з них.

У перетворювачах з безпосереднім зв'язком електричний модуль — це керований випрямляч. Система керування по черзі відмикає групи тиристорів і підключає обмотки двигуна до мережі живлення.

Таким чином, вихідна напруга перетворювача формується з «вирізаних» ділянок синусоїд вхідної напруги. Частота вихідної напруги у таких перетворювачів не може дорівнювати або бути вищою частоти живильної мережі. Вона знаходиться в діапазоні від 0 до 30 Гц, і як наслідок — малий діапазон керування частотою обертання двигуна (не більше 1: 10). Це обмеження не дозволяє застосовувати такі перетворювачі в сучасних частотно-регульованих приводах з широким діапазоном регулювання технологічних параметрів.

Використання незамкнених тиристорів вимагає відносно складних систем керування, які збільшують вартість перетворювача. «Різана» синусоїда на виході перетворювача з безпосереднім зв'язком є ​​джерелом вищих гармонік, які викликають додаткові втрати в електричному двигуні, перегрівання електричної машини, зниження моменту, дуже сильні перешкоди в мережі живлення. Застосування пристроїв компенсації призводить до підвищення вартості, маси, габаритів, зниження ККД системи в цілому.

Однак одноразове перетворення енергії, що визначає високий ККД перетворювача та можливість проходження реактивної потужності як від мережі до навантаження, так і назад є безперечними перевагами такого класу перетворювачів.

Найбільш широко застосовуються в сучасних частотно регульованих модулях перетворювачі з явно вираженою проміжною ланкою постійного струму. У перетворювачах цього класу використовується подвійне перетворення електричної енергії: вхідна синусоїдна напруга з постійною амплітудою і частотою випрямляється у випрямлячі, фільтрується фільтром, згладжується, а потім знову перетвориться інвертором в змінну напругу змінюваної частоти і амплітуди. Подвійне перетворення енергії призводить до зниження ККД і до деякого погіршення масо-габаритних показників порівняно з перетворювачами з безпосереднім зв'язком.

Для формування синусоїдної змінної напруги використовують автономний інвертор, який формує електричну напругу заданої форми на обмотках електродвигуна (як правило, методом широтно-імпульсної модуляції). Функцію електронних ключів в інверторах виконують замкнені тиристори GTO і їх вдосконалені модифікації GCT, IGCT, SGCT, біполярні транзистори з ізольованим затвором IGBT, та польові МОН-транзистори. Головною перевагою тиристорних перетворювачів частоти, як і в схемі з безпосереднім зв'язком, є здатність працювати з великими струмами і напругами, витримуючи при цьому тривале навантаження й імпульсні впливи. Вони мають більш високий ККД (до 98 %) порівняно з перетворювачами на IGBT-транзисторах.

Перетворювачі частоти є нелінійним навантаженням, що створює струми вищих гармонік в мережі живлення, що призводить до погіршення якості електроенергії.

Частотний асинхронний перетворювач частоти служить для перетворення мережевого трифазного або однофазного змінного струму частотою 50 (60) Гц в трифазний або однофазний струм, частотою від 1 Гц до 800 Гц. Промисловістю також випускаються частотні перетворювачі електроіндукціонного типу, що конструктивно є асинхронним двигуном з фазним ротором, який працює в режимі генератора-перетворювача, і перетворювачі електронного типу.

Частотні перетворювачі електронного типу часто застосовують для плавного регулювання швидкості асинхронного електродвигуна або синхронного двигуна за рахунок створення на виході перетворювача електричної напруги заданої частоти. У найпростіших випадках регулювання частоти і напруги відбувається відповідно до заданої характеристики V/f, в найбільш досконалих перетворювачах реалізовано так зване векторне керування.

Частотний перетворювач електронного типу — це пристрій, що складається з випрямляча (моста постійного струму), що перетворює змінний струм промислової частоти в постійний, і інвертора (перетворювача) (іноді з ШІМ), що перетворює постійний струм в змінний необхідних частоти і амплітуди. Вихідні тиристори (GTO) або транзистори (IGBT) забезпечують необхідний струм для живлення електродвигуна.

Для поліпшення форми вихідної напруги між перетворювачем і двигуном іноді ставлять дросель, а для зменшення електромагнітних перешкод — EMC-фільтр.

Перетворювач частоти забезпечує плавний пуск і зупинку двигуна, а також дозволяє змінювати напрям обертання двигуна.

Перетворювач частоти відображає на цифровому дисплеї основні параметри системи: задану швидкість, вихідну частоту, струм і напругу двигуна, вихідну потужність, момент, стан дискретних входів, загальний час роботи перетворювача тощо.

Керування перетворювачем частоти можна здійснювати з вбудованої виносної цифрової панелі керування, або за допомогою зовнішніх сигналів. У другому випадку швидкість обертання задається аналоговим сигналом 0—10 В або 4—20 мА, а команди пуску, зупинки й зміни режимів обертання подаються дискретними сигналами. Можна відображати параметри системи у вигляді графіків на виносній графічній панелі керування.

Існує можливість керування перетворювачем частоти через послідовний інтерфейс (RS-232, RS-422 або RS-485) або від зовнішнього ПЛК з використанням спеціального протоколу (Profibus, Interbus, Device-net, Modbus тощо).

Регульований асинхронний електропривод або частотно-регульований привод складається з асинхронного електродвигуна і перетворювача частоти, який виконує роль регулятора швидкості обертання асинхронного електродвигуна.

Застосування частотно-регульованого електроприводу забезпечує:

• зміну швидкості обертання в раніше нерегульованих технологічних процесах
• синхронне керування декількома електродвигунами від одного перетворювача частоти
• заміна приводів постійного струму, що дозволяє понизити витрати, пов'язані з експлуатацією
• створення замкнених систем асинхронного електроприводу з можливістю точної підтримки заданих технологічних параметрів
• можливість вимкнення механічних систем регулювання швидкості обертання (варіаторів, ремінних передач)
• підвищення надійності і довговічності роботи устаткування
• велику точність регулювання швидкості руху, оптимальні параметри якості регулювання швидкості у складі механізмів, що працюють з постійним моментом навантаження (конвеєри, завантажувальні кулісні механізми і тому подібне).

Економічний ефект від впровадження асинхронного електроприводу складається, зокрема, з чинників:

• економія електроенергії в насосах, вентиляторах і компресорних агрегатах до 50 % за рахунок регулювання продуктивності шляхом зміни частоти обертання електродвигуна на відміну від регулювання продуктивності іншими способами (дроселювання, увімкнення-вимкнення, напрямний апарат)

• підвищення якості продукції
• збільшення обсягу продукції, що випускається, і продуктивності виробничого устаткування
• зниження зносу механічних ланок і збільшенню терміну служби технологічного устаткування унаслідок поліпшення динаміки роботи електроприводу.

• https://web.archive.org/web/20080307152114/http://plasticstech.info/ru/wiki/Преобразователь_частоты
• http://elprivod.nmu.org.ua/ua/entrant/frequency_converter.php
• https://gekoms.org/2020/02/25/chastotnyj-preobrazovatel-dlya-elektrodvigatelya/

• Енергозбереження засобами електроприводу
• Регулювання швидкості
• Частотно-регульований привод

• Бучинський М. Я., Горик О. В., Чернявський А. М., Яхін С. В. ОСНОВИ ТВОРЕННЯ МАШИН / [За редакцією О. В. Горика, доктора технічних наук, професора, заслуженого працівника народної освіти України]. — Харків: Вид-во «НТМТ», 2017. — 448 с. : 52 іл. ISBN 978-966-2989-39-7

Це незавершена стаття з технології. Ви можете допомогти проєкту, виправивши або дописавши її.