Частотный преобразователь

Конструкция частотного преобразователя

Основными элементами преобразователя частоты являются силовая часть (преобразователь электрической энергии) и устройство управления (контроллер). Современные преобразователи частоты обычно имеют модульную архитектуру, что позволяет расширить возможности устройства. Также часто возможна установка дополнительных интерфейсных модулей и модулей расширения каналов ввода/вывода.

Виды преобразователей частоты

Преобразователи частоты различаются конструкцией, принципом действия, способом управления. По своей конструкции преобразователи частоты делятся на две большие группы:

Электромашинные частотники

Электромашинные или индукционные преобразователи частоты представляют собой двигатели переменного тока, включенные в генераторный режим. Такие электротехнические устройства применяются сравнительно редко, в условиях, когда трудно или невозможно применить электронные преобразователи частоты.

Электронные преобразователи

Полупроводниковые микросхемы состоят из силовой части, выполненной на транзисторах или тиристорах, и схемы управления на основе микроконтроллеров. Данное электрооборудование подходит для трехфазных и однофазных приводов любого назначения. Отличаются от ЧП непосредственным подключением к питающей сети и аппаратов с промежуточным звеном постоянного тока.

Непосредственные преобразователи частоты

Такие преобразователи частоты строятся на основе быстродействующих тиристорных преобразователей, включенных по мостовой, кроссоверной, нулевой и встречно-параллельной схемам.

Устройства этого типа включаются непосредственно в электросеть.

Плюсы непосредственных преобразователей частоты:

• Обностью рекуперации электроэнергии в сети при работе в радием торможения двигателя. Непоредственное включение программы двустронний обмен электроэнергии.
• Высоким к.п.д за счет однократного преобразования частоты.
• Возможность увеличения мощности за счет добавления дополнительных преобразователей.
• Широко распространенный райопанком. Прямые преобразователи обеспечивают стабильную работу привода на малых скоростях.

Минусы непосредственных преобразователей частоты:

• Приблизительная форма выходного напряжения с постоянными составляющими и субгармониками. Такая форма переменного напряжения на выходе устройства вызывает дополнительный нагрев двигателя, снижает крутящий момент, создает шум.
• Частота напряжения на выходе преобразователя не превышает аналогичной характеристики сетевого напряжения. Таким образом, с помощью этих устройств можно только снизить скорость вращения двигателя.
• Основная сфера применения непосредственных преобразователей – электроприводы на базе асинхронных и синхронных двигателей большой и средней мощности.

Функциональная схема частотного преобразователя

Функциональная схема преобразователя частоты

Функциональная схема подключения частотного преобразователя

Ферритовый фильтр используется для подавления высокочастотных помех.

 

Методы управления

Программное обеспечение, управляющее основными параметрами электродвигателя (скоростью и моментом), выполнено на микроконтроллере преобразователя частоты. Основные способы управления бесщеточными двигателями, применяемыми в преобразователях частоты, представлены в таблице ниже.

1:101	5-10	Нет в наличии	Низкий	Очень низкий	Низкопроизводственные: насосы, вентиляторы, компрессоры, ОВК
>1:2002	0	<1-2	Высокий	Высокий	Высокая производительность: краны, подъемники, транспорт и т д
>1:2002	0	<1-2	Высокий	Высокий
>1:2002	0	<1	Высокий	Высокий
>1:2002	0	<1-2	Высокий	Высокий	Высокопроизводительные: электрическая тяга, быстрое освоение поля

Характеристика основных способов управления электродвигателями, применяемыми в преобразователях частоты. Примечание:

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

Методы модуляции

Широкое развитие силовых электрических преобразований в состоянии десяткелии производите к программам компании в области модуляции. Модулирующий метод напрямую влияет на КПД всей энергосистемы (энергоблока, системы управления), определяя экономический эффект и производительность конечного продукта.

Основной целью метода модуляции является достижение наилучшей формы сигналов (напряжений и токов) с минимальными потерями. Другие второстепенные задачи управления могут быть решены с помощью правильного метода модуляции, например, уменьшение синфазных помех, выравнивание постоянного напряжения, уменьшение пульсаций входного тока, уменьшение скорости нарастания напряжения.

Достижение полного полного управления невозможно, требует компрозимс. Каждая схема преобразователя мощности и каждое приложение должны быть тщательно изучены, чтобы определить наиболее подходящий метод модуляции.

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

Топология силовой части электрических преобразователей

• Инверторы напряжения
• Преобразователи тока
• Прямые преобразователи

Корни силовой электроники восходят к 1901 году, когда П.К. Хьюитт изобрел ртутный клапан. Однако современная эра полупроводниковой силовой электроники началась с коммерческого внедрения управляемого кремниевого выпрямителя (тиристора) компанией General Electric в 1958 году. Затем продолжились разработки в области новых полупроводниковых структур, материалов и производства, давшие рынку множество новых устройств с большей мощностью и улучшенными характеристиками.

Сегодня силовая электроника строится на полевых транзисторах металл-оксид-полупроводник (MOSFET — metal-oxid-semiconductor field-effect транзистор) и биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT — Insulated-gate Bipolar Transmissions), а для самой большой диапазон мощностей — на тиристорах со встроенным управлением (IGCT — Integrated gate-commutated thristor).

Теперь также доступны интегрированные силовые модули. Новую эру высоковольтных, высокочастотных и высокотемпературных технологий открывают перспективные полупроводниковые приборы на основе широкозонного карбида кремния (SiC). Новые силовые полупроводниковые приборы всегда инициируют разработку новых топологических преобразователей.

Инвертор напряжения

• Двухуровневый инвертор напряжения
• Трехуровневый преобразователь с фиксированной нейтральной точкой

• Каскадный H-мост преобразователь
• Трансформатор с плавающими конденсаторами

Самый распространенный инвертор напряжения среди силовых преобразователей.

Двухуровневый инвертор напряжения

Двухуровневый инвертор перевозкательная (двухуровневый инвертор источника напряжения) – наиболее широко применяемая топология преобразователя энергии. Он состоит из конденсатора и двух силовых полупроводниковых ключей на фазу. Сигнал управления верхним и нижним силовыми ключами подключен и формирует только два возможных состояния выходного напряжения (нагрузка подключена к положительной или отрицательной шине источника постоянного напряжения).

Схема двухуровневого инвертора напряжения
Фазное напряжение двухуровневого инвертора напряжения

Используя модуляционные методы формирования управляющих импульсов, можно синтезировать выходное напряжение с заданными параметрами (форма, частота, амплитуда). Из-за содержания высших гармоник в выходном сигнале необходимо фильтровать выходной сигнал для формирования синусоидальных токов, но так как эти преобразователи обычно имеют индуктивные нагрузки (электродвигатели), то дополнительные фильтры применяют только в случае необходимости.

Максимальное выходное напряжение определяется значением постоянного напряжения звена постоянного тока. Для улучшения управления прочной высокой плотностью печати вен конечного тока, но практическая печать есть переднего уровня производительности печати проводников. Например, низковольтные IGBT-транзисторы обеспечивают выходное напряжение до 690 В.

В последние десятилетия были разработаны схемы многоуровневых преобразователей для обхода этого ограничения по напряжению. Эти преобразователи сложнее двухуровневых по топологии, модуляции и управлению, но при этом обладают лучшими характеристиками, надежностью, габаритами, производительностью и экономичностью.

Трехуровневый преобразователь с фиксированной нейтральной точкой

В трехуровневом преобразователе с фиксированной нейтралью постоянное напряжение делится поровну двумя конденсаторами, поэтому фазу можно подключить к линии положительного напряжения (включив два верхних ключа), к средней точке (включив два центральных ключа) или на линию отрицательного напряжения (в середине включения двух нижних ключей).

Каждый ключ в этом случае обязан блокировать только половину напряжения звена постоянного тока, что позволяет увеличить мощность устройства, используя те же полупроводниковые ключи, что и в обычном двухуровневом преобразователе. В этом преобразователе обычно используются высоковольтные IGBT-транзисторы и IGCT-тиристоры.

Схема трехуровневого преобразователя с фиксированной нейтральной точкой

• Недостатками этих преобразователей являются:
• Дисбаланс конфестраций, создающий асимемитрию в преобразовании. Данную проблему выставления метода модуляции.
• Неравномерное распределение потерь связано с тем, что потери на переключение внешнего и центрального ключей различаются в зависимости от режима работы. Эту задачу невозможно решить с помощью обычной схемы, поэтому была предложена модифицированная топология — активный преобразователь с подключенной нейтральной точкой (активный НПЦ). В этой схеме диоды заменены управляемыми ключами. Таким образом, выбирая очень комбинационные ключи, можно размещать и удалять потери.
• Фазная прямая трехуровневого преобразования с фикситной нетуральной точкой

Преобразователь с фиксированной нейтральной точкой можно масштабировать для достижения более трех уровней выходного сигнала путем деления напряжения звена постоянного тока более чем на два значения с помощью конденсаторов. Каждое из этих общих напряжений можно подключить к нагрузке с помощью расширенного набора ключей и ограничительных диодов.

Наряду с увеличением мощности преимуществами многоуровневого преобразователя являются лучшее качество электроэнергии, меньшее значение скорости нарастания напряжения (dv/dt) и связанные с этим электромагнитные помехи. Однако, когда преобразователь с подключенной нейтральной точкой имеет более трех уровней, возникают другие проблемы.

С точки зрения схемотехники, в этом случае ограничительные диоды требуют более высокого максимального рабочего напряжения, чем главные ключи, что требует применения различных технологий или нескольких последовательно включенных ограничительных диодов. Кроме того, критичным становится неравномерное использование силовых элементов в схеме.

В результате снижается надежность из-за увеличения количества элементов. Следующие недостатки ограничивают использование преобразователей с фиксированной нейтральной точкой более чем с тремя уровнями в промышленных приложениях.

Многоуровневые преобразователи

Для обеспечения большего количества уровней выходного напряжения по сравнению с преобразователями с фиксированной нейтральной точкой были предложены каскадные преобразователи на основе модульных силовых ячеек с Н-мостовой схемой (cascaded H-bridge — CHB) и преобразователи с плавающими конденсаторами (преобразователь с плавающими конденсаторами.

Каскадный Н-мостовой преобразователь

Каскадный преобразователь — высокомодульный преобразователь, состоящий из нескольких однофазных инверторов, обычно называемых силовыми ячейками, соединенных последовательно для образования фазы. Каждая силовая ячейка изготовлена ​​из стандартных низковольтных компонентов, что обеспечивает их легкую и дешевую замену в случае выхода из строя.

Основным преимуществом данного преобразователя является использование только низковольтных компонентов, при этом он дает возможность управлять мощной нагрузкой в ​​среднем диапазоне напряжений.

Несмотря на то, что частота коммутации в каждой ячейке низкая, эквивалентная частота коммутации, подаваемая на нагрузку, высока, что снижает потери при переключении ключей, дает низкую скорость нарастания напряжения (dv/dt) и помогает избежать резонансов.

Преобразователь с плавающими конденсаторами

Выходное напряжение преобразователя с плавающими конденсаторами получают прямым соединением фазного выхода с положительной, отрицательной шиной или соединением через конденсаторы. Количество уровней выходного напряжения зависит от количества подвесных конденсаторов и соотношения между различными напряжениями.

Этот преобразователь, как и в случае с каскадным преобразователем, также имеет модульную топологию, где каждая ячейка состоит из конденсатора и двух соединенных ключей.

Однако, в отличие от каскадного преобразователя, добавление к емкостному преобразователю дополнительных силовых ключей не увеличивает номинальную мощность преобразователя, а лишь снижает скорость нарастания напряжения (dv/dt), улучшая коэффициент гармоник выходного сигнала сигнал.

Как и в случае с каскадным трансформатором, модульность снижает стоимость замены элементов, облегчает поддержку и позволяет реализовать отказоустойчивую работу.

Конденсаторному преобразователю требуется только один источник постоянного тока для питания всех элементов и фаз. Поэтому можно обойтись без входного трансформатора, а количество ячеек произвольно увеличивать в зависимости от требуемой выходной мощности. Подобно преобразователю с фиксированной нейтральной точкой, этот преобразователь требует специального алгоритма управления для регулирования напряжения на конденсаторах.

Читайте также: Как подключить светодиодную ленту к 220 В без блока питания: способ подключения LED ленты напрямую

Инвертор тока

Для работы инвертора тока всегда требуется управляемый выпрямитель для обеспечения постоянного тока в звене постоянного тока. В стандартной топологии обычно используются тиристорные выпрямители. Для уменьшения шума в нагрузке в звене постоянного тока используется разделенная индуктивность.

Инвертор тока имеет схему силовых ключей аналогичную инвертору напряжения, но в качестве силовых ключей используются тиристоры с интегрированным управлением (IGCT). Выходной ток имеет форму ШИМ и не может быть напрямую подан на индуктивную нагрузку (электродвигатель), поэтому инвертор тока обязательно включает в себя выходной емкостный фильтр, сглаживающий ток и выдающий плавное напряжение на нагрузку.

Этот преобразователь может быть реализован для работы на средних напряжениях и, кроме того, по своей природе имеет возможность рекуперации энергии.

Прямые преобразователи

Прямые преобразователи передают энергию напрямую от входа к выходу без использования элементов накопления энергии. Основным преимуществом таких преобразователей является их меньший размер. Недостатком – необходимость более сложной схемы управления.

Циклический преобразователь относится к категории прямых преобразователей. Этот преобразователь широко использовался в приложениях, требующих большой мощности.

Этот преобразователь состоит из двойных тиристорных преобразователей на каждую фазу, которые могут генерировать переменное постоянное напряжение, регулируемое таким образом, чтобы оно соответствовало эталонному синусоидальному сигналу. Вход каждого преобразователя питается от фазосдвигающего трансформатора, в котором устраняются младшие гармоники входного тока.

Выходное напряжение является результатом комбинации сегментов входного напряжения, в которых основная гармоника следует за опорным сигналом. По своей природе этот преобразователь хорошо подходит для управления низкочастотными, мощными нагрузками.

Матричный преобразователь в прямом и косвенном вариантах также относится к категории прямых преобразователей. Основной принцип работы прямого матричного преобразователя (прямой матричный преобразователь) — возможность подключения выходной фазы к любому из входных напряжений.

Преобразователь состоит из девяти двухпозиционных переключателей, которые могут соединять 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 подключается к индуктивной нагрузке.

Возможны не все доступные комбинации клавиш, они ограничены только 27 правильными состояниями переключения. Как было сказано ранее, основным преимуществом матричных преобразователей являются меньшие габариты, что немаловажно для автомобильного и авиационного применения.

Косвенный матричный преобразователь состоит из двухстороннего трехфазного выпрямителя, виртуального звена постоянного тока и трехфазного инвертора. Количество силовых полупроводников такое же, как и у прямых матричных преобразователей (если двусторонний ключ рассматривать как два односторонних ключа), но количество возможных включений состояния другое.

Используя ту же конфигурацию косвенного матричного преобразователя, можно упростить его топологию и уменьшить количество элементов, ограничивающих его работу от положительного напряжения в виртуальном звене постоянного тока. Приведенная топология называется преобразователем разреженных матриц).

 

ЧП со скалярным управлением

Преобразователи частоты этого типа выдают напряжение определенной частоты и амплитуды для поддержания определенного магнитного потока в обмотках статора. Частотники с таким принципом регулирования отличаются относительно низкой стоимостью, простотой конструкции. Нижний предел регулирования скорости составляет около 10% от номинальной частоты вращения.

Их можно использовать для управления сразу несколькими двигателями. Скалярные ЧП применяются для привода насосных агрегатов, вентиляторов и других устройств и оборудования, где не требуется поддерживать скорость вращения ротора независимо от нагрузки.

ЧП с векторным управлением

Микропроцессорные устройства преобразователей с векторным управлением автоматически рассчитывают взаимодействие магнитных полей статора и ротора. ЧП этого типа обеспечивают постоянную частоту вращения ротора независимо от нагрузки. Применяются для оборудования, где необходимо поддерживать необходимый момент силы при малых скоростях, высокой скорости и точности регулирования. Применение векторных ЧП позволяет регулировать частоту вращения, задавать необходимый момент на колесе.

ЧП с векторным управлением делятся на преобразователи бездатчикового типа и устройства с обратной связью по скорости.

Последние применяются для приводов с широким диапазоном регулирования частоты вращения до 1:1000, необходимостью точного позиционирования вала, регулирования момента на малых скоростях, точного поддержания частоты вращения, пуска двигателя с номинальным моментом. Преобразователи без датчика скорости используются для приводов с более низкими требованиями.

Индикация скорости

Прикольная фишка многих ПК — вывод дискретных и аналоговых терминалов. На них можно запрограммировать несколько событий. Например, в статье про установку ПК в ленторезную машину (труборез) я рассказывал, что выходное реле замыкается при достижении заданной частоты и дает сигнал для следующей функции.

Здесь я использовал аналоговый выход для индикации оборотов двигателя. Для этого устанавливается функция онлайнового описания «Индикатор выходной частоты» (параметр 03.03 = 0). При этом максимальная фракция 60 Гц соответствует напражению 10 В. Немного подкорректировал показания вольтметра (на 3%) в параметре 03.04.

Таблица скоростей ПЧ
Показания вольтметра	Вых. Частота	Обороты двигателя
3.4	20	1200
5.1	30	1800
6,8	40	2400
8.4	50	3000
9.3	55	3300
10	60	3600

Выходное аналоговое напряжение подается на вольтметр постоянного напряжения с пределом 30 В. В результате оператор станка на индикаторе наблюдает цифру, однозначно соответствующую скорости полировки.