Частотный преобразователь (электропривод). Что такое частотный привод


Частотный преобразователь (электропривод) - это... Что такое Частотный преобразователь (электропривод)?

Высокодинамичный компактный однофазный преобразователь OptiCor N

Частотный преобразователь — электронное устройство для изменения частоты электрического тока (напряжения)[1][2].

Назначение

Частотный преобразователь служит для плавного регулирования скорости асинхронного электродвигателя или синхронного двигателя за счет создания на выходе преобразователя электрического напряжения заданной частоты. В простейших случаях регулирование частоты и напряжения происходит в соответствии с заданной характеристикой V/f, в наиболее совершенных преобразователях реализовано так называемое векторное управление. Частотный преобразователь — это устройство, состоящее из выпрямителя (моста постоянного тока), преобразующего переменный ток промышленной частоты в постоянный, и инвертора (преобразователя) (иногда с ШИМ), преобразующего постоянный ток в переменный требуемых частоты и амплитуды. Выходные тиристоры (GTO) или транзисторы (IGBT) обеспечивают необходимый ток для питания электродвигателя. Для улучшения формы выходного напряжения между преобразователем и двигателем иногда ставят дроссель, а для уменьшения электромагнитных помех — EMC-фильтр.

Устройство и принцип действия

Преобразователь частоты состоит из электрического привода и управляющей части. Электрический привод частотного преобразователя состоит из схем, в состав которых входит тиристор или транзистор, которые работают в режиме электронных ключей. В основе управляющей части находится микропроцессор, который обеспечивает управление силовыми электронными ключами, а также решение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика, защита).

В зависимости от структуры и принципа работы электрического привода выделяют два класса преобразователей частоты:

  1. С непосредственной связью.
  2. С явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.

Каждый из существующих классов преобразователей имеет свои достоинства и недостатки, которые определяют область рационального применения каждого из них.

В преобразователях с непосредственной связью электрический привод представляет собой управляемый выпрямитель. Система управления поочередно отпирает группы тиристоров и подключает статорные обмотки двигателя к питающей сети. Таким образом, выходное напряжение преобразователя формируется из «вырезанных» участков синусоид входного напряжения. Частота выходного напряжения не может быть равна или выше частоты питающей сети. Она находится в диапазоне от 0 до 30 Гц. Как следствие - малый диапазон управления частотой вращения двигателя (не более 1 : 10). Это ограничение не позволяет применять такие преобразователи в современных частотно регулируемых приводах с широким диапазоном регулирования технологических параметров.

Использование незапираемых тиристоров требует относительно сложных систем управления, которые увеличивают стоимость преобразователя. «Резаная» синусоида на выходе преобразователя с непосредственной связью является источником высших гармоник, которые вызывают дополнительные потери в электрическом двигателе, перегрев электрической машины, снижение момента, очень сильные помехи в питающей сети. Применение компенсирующих устройств приводит к повышению стоимости, массы, габаритов, понижению КПД системы в целом.

Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых приводах находят преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока. В преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе, фильтруется фильтром, сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению КПД и к некоторому ухудшению массо-габаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.

Для формирования синусоидального переменного напряжения используют автономный инвертор, который формирует электрическое напряжение заданной формы на обмотках электродвигателя (как правило, методом широтно-импульсной модуляции). В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные модификации GCT, IGCT, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.

Главным достоинством тиристорных преобразователей частоты, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия. Они имеют более высокий КПД (до 98 %) по отношению к преобразователям на IGBT транзисторах.

Преобразователи частоты являются нелинейной нагрузкой, создающей токи высших гармоник в питающей сети, что приводит к ухудшению качества электроэнергии.

См. также

Примечания

dic.academic.ru

Как работает частотник? Принцип работы преобразователя.

Частотник служит для изменения характеристик энергии, поступающей от электросети к производственному оборудованию. Речь идёт о требуемом выборе частоты тока, вида напряжения. Технические возможности изменения этих понятий лежат в определённом диапазоне. Их показатели могут отличаться и быть выше данных, получаемых от первичного энергоисточника, так и гораздо ниже его.

Состав, конструкция схема

Оборудование преобразования частоты (ПЧ) компонуют из двух секций. Первая — с управляющими функциями, состоит из микропроцессоров. Их задача: регулировать коммутацию ключей, контролировать работу, выполнять диагностику и защиту. Вторая — силовая секция. Её комплектуют на транзисторах (тиристорах), выполняющих функцию переключателей.

Характеристика

Большинство распространённых электрорегулируемых приводов используют преобразователей частоты ПЧ двух классов. Основными признаками их разделения являются структурное отличие и принцип работы силовой части устройства. Свои функции ПЧ выполняет с промежуточным узлом, действующим с постоянным током, или осуществляется прямая связь с источником.

Положительной особенностью является высокая эффективность. Отдача достигает 98,5% и более. Используется для управления мощными высоковольтными приводами. Частотник значится относительно дешёвым, несмотря на дополнительную комплектацию схем регулирования. Эффективный способ его применения оценивают, рассматривая класс, преимущества или недостатки. Сначала использовались преобразователи с прямым, непосредственным подсоединением к сети. (рисунок 1).

То есть, источник питания подключается к статорным обмоткам двигателя через открытые вентили. Конструкция силовой части состояла из выпрямителей, выполненных на полупроводниковых приборах — тиристорах.

Обладающих свойствами электровентиля. И системы управления (СУ). Которая, попеременно их открывая, подключала к сети обмотки электродвигателя. Напряжение поступает на тиристоры, имея трёхфазный вид синусоиды Ua, Uв, Uс. На выходе преобразователя сформировано напряжение U вых.

Это показано на одной фазе с вырезанной полосой (рисунок 1). Увеличенный, он имеет зазубренный вид, который аппроксимирует линия синего цвета. Выходная частота устройства значится в границах 0—30 Гц.Этот короткий диапазон лимитирует возможность привода регулировать скорость асинхронного электродвигателя. Такое подключение на практике даёт результат один к десяти. Хотя технологические процессы диктуют значительного увеличения этого соотношения.

Применение неуправляемых тиристоров считается недостатком конструкции, так как их использование требует усовершенствовать систему регулирования. Она становится более сложной. Кроме того, «зазубренная» форма напряжения на выходе (рис. 2), приводит к появлению высших гармоник. Их наличие сопровождается дополнительными потерями. Которые наблюдаются, в увеличении перегрева электродвигателя, уменьшение крутящего усилия (момент) на валу и появление помех в сети. Поэтому дополнительный монтаж деталей и узлов для устранения этих недостатков, повышает стоимость устройства. Увеличивают его габариты, вес и уменьшают эффективность привода.

В настоящее время преобразователи с прямой (непосредственной) связью не применяют. Сейчас в системах дополнительно включён узел с функцией постоянного тока. При этом задействовано удвоенное трансформирование электроэнергии. Напряжение на входе, с неизменной амплитудой, частотой и формой синусоиды, поступает на клеммы выпрямительного блока (B). Дальше проходит фильтр (Ф), уменьшающий пульсацию высших гармоник. Назначение (И) инвертора — преобразовать постоянное напряжение в переменное варьируемой частоты и амплитуды. При этом используются отдельные внутренние блоки.Функции электронных ключей, в составе инверторов, выполняют запираемые GTO тиристоры. Или заменяемые его типы: GCT, IGCT, SGCT, а также трёхэлектродным полупроводниковым элементом с изолированным затвором IGBT.

Преимуществом частотника на тиристорах обоих классов является возможность использовать их при повышенных показателях напряжения и тока. Они выдерживают длительную работу, электроимпульсные скачки. Устойчивое функционирование преобразователи частоты поддерживают в широком диапазоне мощностей. С вилкой от сотни кВт до десятка мВт. На выходе ПЧ напряжение составляет от 3 до 10 кв. Однако, сравнивая цену по отношению к мощности, она остаётся завышенной.

Устройства регулируемого привода, в состав которого входили запираемые тиристоры, занимали преобладающее место. Но, потом их сменил транзистор IGBT с изолированным затвором.Применение тиристора усложняет средство управления. Являясь полупроводниковым элементом, он подключается подачей импульса на регулируемый контакт, достаточно сменить полярность напряжение или понизить величину тока близкую к нулю. Сложность процесса и дополнительные элементы делают систему регулировки более громоздкой.

Транзисторы IGBT отличаются простым способом управления с незначительной затратой расхода энергии. Большой рабочий диапазон частот расширяет границы выбора оборотов электромотора и увеличивает скоростную характеристику. Совместное действие транзистора с микропроцессорным управлением влияет на степень высших гармоник. Кроме того, отмечаются следующие особенности.

  • В обмотках и магнитопроводе электродвигателя уменьшаются потери.
  • Снижается тепло подогрев.
  • Минимум проявлений пульсаций момента.
  • Исключаются рывки ротора в зоне небольших частот.
  • Сокращаются потери в конденсаторах, трансформаторах, проводах тем самым увеличиваются сроки их эксплуатационной пригодности.
  • Приборы измерений и защиты (особенно индукционные) допускают меньшее неточностей, искажённых срабатываний.

Сравнивая ПЧ одинаковой выходной мощности с другими схемами, устройства на транзисторах IGBT отличаются надёжностью, меньшими габаритами, массой. Достигается это за счёт модульной конструкции аппаратных средств. Минимальным набора элементов, составляющих устройство. Защитой от резких колебаний тока и напряжения. Снижением количества отказов и остановок электропривода. Лучшим теплоотводом

Высокая цена низковольтных преобразователей (IGBT) на единицу выходной мощности объясняется трудностью изготовления транзисторных модулей. Рассматривая цену и качество, они предпочтительнее тиристорных. И также надо учитывать постоянную динамику сокращения стоимости производства устройств. Тенденцию к её снижению.

Затруднение в применении высоковольтного привода с прямым изменением частоты является ограничение по мощности свыше двух мВт. Так как увеличение напряжения и рабочего тока укрупняют габариты транзисторного модуля, необходим более высокоэффективный теплоотвод от полупроводника. И как выход, до появления новейших биполярных элементов, модули в преобразователях соединяют последовательно по несколько штук.

Низковольтный ПЧ на IGB транзисторах. Устройство, особенности

Рисунок 3 показывает блочную схему и функции основных узлов. После каждого из них, отображены линии выходных параметров электроэнергии. Подаваемая энергия (Uвх.), в форме синусоиды, неизменной амплитуды, частоты. Дальше — узел постоянного тока, состоящий из неуправляемого или регулируемого выпрямителя 1. Емкостного фильтра 2, с функциями сглаживания пульсации (U выпр.). Потом, сигнал Ud поступает на независимый, автономный инвертор 3, работающий с нагрузкой, которая потребляет ту же частоту.

Он преобразует одно или 3-фазный ток постоянной величины в переменный, имеет приемлемый уровень гармоник, добавленных к выходному напряжению. Собранный на полностью регулируемых полупроводниковых приборах IGBT. Сигналы СУ подсоединяют обмотку электродвигателя к соответствующим полюсам, используя силовые транзисторы. Подключение происходит в период импульсов, моделируемых по синусоиде амплитудой и частотой. Управляемые выпрямители (1) регулируют величину Ud. Функцию сглаживания выполняет электрофильтр (4).

Вывод

В результате работы частотника получают переменное напряжение с варьируемыми показателями. Подавая энергию с такими параметрами на обмотки электродвигателя, выбирают требуемую скорость вращения вала. Статические ПЧ являются наиболее применяемыми в регулировке исполнительных механизмов. Установка управляемого электропривода экономически обоснована в энергосберегающих технологиях.

chistotnik.ru

Частотный преобразователь. Выбор ПЧ

Как выбрать преобразователь частоты (частотный привод)

При выборе модели частотного преобразователя следует исходить из конкретной задачи, которую должен решать электропривод:

  •  типа и мощности подключаемого электродвигателя,
  •  точности и диапазона регулирования скорости,
  •  точности поддержания момента вращения на валу двигателя.

Так же, можно учитывать конструктивные особенности преобразователя, такие как:

  •  размеры,
  •  форма,
  •  возможность выноса пульта управления и др.

При работе со стандартным асинхронным двигателем преобразователь следует выбирать с соответствующей мощностью. Если требуется большой пусковой момент или короткое время разгона/замедления, выбирайте преобразователь на ступень выше стандартного.

При выборе преобразователя для работы со специальными двигателями (двигатели с тормозами, погружные двигатели, с втяжным ротором, синхронные двигатели, высокоскоростные и т.д.) следует руководствоваться, прежде всего, номинальным током преобразоватля, который должен быть больше номинального тока двигателя, а также особенностями настройки параметров преобразователя. В этом случае, желательно проконсультироваться со специалистами поставщика.

Для увеличения точности поддержания момента и скорости на валу двигателя в наиболее совершенных преобразователях (VFD-V/B/M) реализовано векторное управление, позволяющее работать с полным моментом двигателя в области нулевых частот, поддерживать скорость при переменной нагрузке без датчиков обратной связи, точно контролировать момент на валу двигателя.

Преобразователи частоты

Delta Electronics
подробнее Векторное управление в разомкнутом и замкнутом контуре; Автотестирование двигателя; ПИД регулятор; Автоматическое пошаговое управление; 15 предустановленных скоростей; Управление группой электродвигателей; MODBUS Uпит, В Диапазон мощностей, кВт
1Ф/220В 0.75 - 2.2
3Ф/220В 0.75 - 37
3Ф/380В 0.75 - 75
 
Delta Electronics
подробнее Вольт-частотный и векторный алгоритмы управления; автотестирование и определение параметров двигателя при векторном управлении; встроенный ПЛК; встроенный РЧ-фильтр (в моделях 230В/1ф и 460В/3ф) для снижения электромагнитных помех и соответствия нормам ЭМС; модульная конструкция; MODBUS Uпит, В Диапазон мощностей, кВт
1Ф/115В 0.2 - 0.75
1Ф/230В 0.2 - 2.2
3Ф/230В 0.2 - 7.5
3Ф/460В 0.4 - 22
 
Delta Electronics
подробнее Выходная частота 0.1:120 Гц; Перегрузка 120% в течение 1 мин.; ПИД-регулятор; Автоматическое пошаговое управление; 15 предустановленных скоростей; Веерное управление группой электродвигателей; автоматическое энергосбережение при работе с насосами и вентиляторами, MODBUS Uпит, В Диапазон мощностей, кВт
3Ф/380В 0.75 - 220
 
Delta Electronics
подробнее Выходная частота 0.1:120 Гц; Перегрузка 150% в течение 1 мин.; ПИД-регулятор; Автоматическое пошаговое управление; 15 предустановленных скоростей; Преобразователи частоты серии VFD-G оптимизированы для компрессоров и экструдеров, MODBUS Uпит, В Диапазон мощностей, кВт
3Ф/380В 5.5 - 75
 
Delta Electronics
подробнее Управление U/F; Автоматическое пошаговое управление; 3 предустановленных скорости; встроенный потенциометр; MODBUS Uпит, В Диапазон мощностей, кВт
1Ф/115В 0.04 - 0.4
1Ф/220В 0.04 - 0.75
3Ф/220В 0.2 - 1.5
 
Delta Electronics
подробнее Векторное и частотное управление в разомкнутом контуре; Автотестирование двигателя; ПИД регулятор; Автоматическое пошаговое управление; 7 предустановленных скоростей; встроенный потенциометр; MODBUS Uпит, В Диапазон мощностей, кВт
1Ф/220В 0.4 - 2.2
3Ф/380В 0.75 - 7.5
 
Delta Electronics
подробнее Управление U/F; ПИД-регулятор; Автоматическое пошаговое управление; 7 предустановленных скоростей; встроенный потенциометр; MODBUS Uпит, В Диапазон мощностей, кВт
1Ф/220В 0.2 - 2.2
3Ф/380В 0.4 - 2.2
 
Delta Electronics
подробнее Векторное управление в разомкнутом и замкнутом контуре; Диапазон регулировании 1:1000; Точность + 0.02%; Момент 150% на нулевой скорости; Автотестирование и хранение параметров двух двигателей; Прямое управление моментом; ПИД регулятор; Автоматическое пошаговое управление по времени или по положению; 15 предустановленных скоростей; MODBUS Uпит, В Диапазон мощностей, кВт
3Ф/380В 0.75 - 37
3Ф/380В 0.75 - 75
 
Рекомендуется:

1. Применять частотный метод в случаях, когда зависимость момента нагрузки двигателя известна и нагрузка практически не меняется при одном и том же значении частоты, а так же нижняя граница регулирования частоты не ниже 5…10 Гц при независимом от частоты моменте. При работе на центробежный насос или вентилятор (это типичные нагрузки с моментом, зависящим от скорости вращения) диапазон регулирования частоты – от 5 до 50 Гц и выше. При работе с двумя и более двигателями.

2. Частотный с обратной связью по скорости - для прецизионного регулирования (необходимо использовать инкрементальный энкодер) с известной зависимостью момента от скорости вращения.

3. Векторный – для случаев, когда в процессе эксплуатации нагрузка может меняться на одной и той же частоте, т.е. нет четкой зависимости между моментом нагрузки и скоростью вращения, а также в случаях, когда необходимо получить расширенный диапазон регулирования частоты при номинальных моментах, например, 0…50 Гц для момента 100% или даже кратковременно 150-200% от Мном. Векторный метод работает нормально, если введены правильно паспортные величины двигателя и успешно прошло его автотестирование. Векторный метод реализуется путем сложных расчетов в реальном времени, производимых процессором преобразователя на основе информации о выходном токе, частоте и напряжении. Процессором используется так же информация о паспортных характеристиках двигателя, которые вводит пользователь. Время реакции преобразователя на изменение выходного тока (момента нагрузки) составляет 50…200 мсек. Векторный метод позволяет минимизировать реактивный ток двигателя при уменьшении нагрузки путем адекватного снижения напряжения на двигателе. Если нагрузка на валу двигателя увеличивается, то преобразователь адекватно увеличивает напряжение на двигателе.

4. Векторный с обратной связью по скорости – для прецизионного регулирования (необходимо использовать инкрементальный энкодер) скорости, когда в процессе эксплуатации нагрузка может меняться на одной и той же частоте, т.е. нет четкой зависимости между моментом нагрузки и скоростью вращения, а также в случаях, когда необходим максимальный диапазон регулирования частоты при моментах близких к номинальному.

Как правильно выбрать преобразователь частоты
  • Выбор ПЧ по энергетике (по электрической совместимости с двигателем, как электрической нагрузкой)
    1. При работе одного ПЧ с одним двигателем
    2. При работе одного ПЧ с несколькими двигателями
  • Общие замечания по выбору и эксплуатации преобразователя
    1. Замечания по выбору
    2. Замечания по установке параметров
  • Как выбрать подходящий двигатель
    1. Стандартный асинхронный двигатель
    2. Специальные двигатели
  • Механизмы преобразования механической энергии
  • Вращающий момент двигателя
Скачать инструкцию (рекомендации) по выбору PDF =>
Система обозначения преобразователей частоты серии VFD

Аксессуары / VFD-B / VFD-E / VFD-EL / VFD-F / VFD-L / VFD-M / VFD-S / VFD-V / VFD-VE / VFD-VL /

Частотный преобразователь. Выбор ПЧ

www.privod.info

Частотные преобразователи - структура, принцип работы

Частотные преобразователи – это устройство, предназначенное для преобразования переменного тока (напряжения) одной частоты в переменный ток (напряжение) другой частоты.

 

Выходная частота в современных преобразователях может изменяться в широком диапазоне и быть как выше, так и ниже частоты питающей сети.

 

Схема любого преобразователя частоты состоит из силовой и управляющей частей. Силовая часть обычно выполнена на тиристорах или транзисторах, которые работают в режиме электронных ключей. Управляющая часть выполняется на цифровых микропроцессорах и обеспечивает управление силовыми электронными ключами, а также решение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика, защита).

 

Частотные преобразователи, применяемые в регулируемом электроприводе, в зависимости от структуры и принципа работы силовой части разделяются на два класса:

    1. С явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.
    2. С непосредственной связью (без промежуточного звена постоянного тока).
      • практически самый высокий КПД относительно других преобразователей (98,5% и выше),
      • способность работать с большими напряжениями и токами, что делает возможным их использование в мощных высоковольтных приводах,
      • относительная дешевизна, несмотря на увеличение абсолютной стоимости за счет схем управления и дополнительного оборудования.

 

Каждый из существующих классов имеет свои достоинства инедостатки, которые определяют область рационального применения каждого из них.

 

Исторически первыми появились преобразователи с непосредственной связью (рис. 4.), в которых силовая часть представляет собой управляемый выпрямитель и выполнена на не запираемых тиристорах. Система управления поочередно отпирает группы тиристотров и подключает статорные обмотки двигателя к питающей сети.

 

 

 

 

  

Таким образом, выходное напряжение преобразователя формируетсяиз «вырезанных» участков синусоид входного напряжения. На рис.5. показан пример формирования выходного напряжениядля одной из фаз нагрузки. На входе выигрывают у тиристорныхдействует трехфазное синусоидальное напряжение uа, uв, uс. Выходное напряжение uвых имеет несинусоидальную «пилообразную» форму, которую условно можно аппроксимировать синусоидой (утолщенная линия). Из рисунка видно, что частота выходного напряжения не может быть равна или выше частоты питающей сети. Она находится в диапазоне от 0 до 30 Гц. Как следствие малый диапазон управления частоты вращения двигателя (не более 1: 10). Это ограничение не позволяет применять такие преобразователи в современных частотно регулируемых приводах с широким диапазоном регулирования технологических параметров.

 

Использование не запираемых тиристоров требует относительно сложных систем управления, которые увеличивают стоимость преобразователя.

 

«Резаная» синусоида на выходе преобразователя является источником высших гармоник, которые вызывают дополнительные потери в электрическом двигателе, перегрев электрической машины, снижение момента, очень сильные помехи в питающей сети. Применение компенсирующих устройств приводит к повышению стоимости, массы, габаритов, понижению к.п.д. системы в целом.

 

Наряду с перечисленными недостатками преобразователей с непосредственной связью, они имеют определенные достоинства. К ним относятся:

 

Подобные схемы преобразователей используются в старых приводах и новые конструкции их практически не разрабатываются.

 

Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых приводах находят частотники с явно выраженным звеном постоянного тока (рис. 6.)

 

В частотных преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе (В), фильтруется фильтром (Ф), сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором (И) в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению к.п.д. и к некоторому ухудшению массогабаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.

 

Для формирования синусоидального переменного напряжения используются автономные инверторы напряжения и автономные инверторы тока.

 

В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные модификации GCT, IGCT, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.

 

Главным достоинством тиристорных преобразователей частоты, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия.

 

Они имеют более высокий КПД (до 98%) по отношению к преобразователям на IGBT транзисторах (95 – 98%).

 

Преобразователи частоты на тиристорах в настоящее время занимают доминирующее положение в высоковольтном приводе в диапазоне мощностей от сотен киловатт и до десятков мегаватт с выходным напряжением 3 — 10 кВ и выше. Однако их цена на один кВт выходной мощности самая большая в классе высоковольтных преобразователей.

 

До недавнего прошлого преобразователи частоты на GTO составляли основную долю и в низковольтном частотно регулируемом приводе. Но с появлением IGBT транзисторов произошел «естественный отбор» и сегодня преобразователи на их базе общепризнанные лидеры в области низковольтного частотно регулируемого привода.

 

Тиристор является полууправляемым приборам: для его включения достаточно подать короткий импульс на управляющий вывод, но для выключения необходимо либо приложить к нему обратное напряжение, либо снизить коммутируемый ток до нуля. Для этого в тиристорном преобразователе частоты требуется сложная и громоздкая система управления.

 

Биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT отличают от тиристоров полная управляемость,простая неэнергоемкая система управления, самая высокая рабочая частота.

 

Вследствие этого преобразователи частоты на IGBT позволяют расширить диапазон управления скорости вращения двигателя, повысить быстродействие привода в целом.

 

Для асинхронного электропривода с векторным управлением преобразователи на IGBT позволяют работать на низких скоростях без датчика обратной связи.

 

Применение IGBT с более высокой частотой переключения в совокупности с микропроцессорнойсистемой управления в частотных преобразователях снижает уровень высших гармоник, характерных для тиристорных преобразователей. Как следствие меньшие добавочные потери в обмотках и магнитопроводе электродвигателя,уменьшение нагрева электрической машины, снижение пульсаций момента и исключение так называемого «шагания» ротора в области малых частот. Снижаются потери в трансформаторах, конденсаторных батареях, увеличивается их срок службы и изоляции проводов, уменьшаются количество ложных срабатываний устройств защиты и погрешности индукционных измерительных приборов.

 

Частотные преобразователи на транзисторах IGBT по сравнению с тиристорными преобразователями при одинаковой выходной мощности отличаются меньшими габаритами, массой, повышенной надежностью в силу модульного исполнения электронных ключей, лучшего теплоотвода с поверхности модуля и меньшего количества конструктивных элементов.

 

Они позволяют реализовать более полную защиту от бросков тока и от перенапряжения, что существенно снижает вероятность отказов и повреждений электропривода.

 

На настоящий момент низковольтные преобразователи на IGBT имеют болеевысокую цену на единицу выходной мощности, вследствие относительной сложности производстватранзисторных модулей. Однако по соотношению цена/качество, исходя из перечисленных достоинств, они явно выигрывают у тиристорных, кроме того, на протяжении последних лет наблюдается неуклонное снижение цен на IGBT модули.

 

Главным препятствием на пути их использования в высоковольтном приводе с прямым преобразованием частоты и при мощностях выше 1 – 2 МВт на настоящий момент являются технологические ограничения. Увеличение коммутируемого напряжения и рабочего тока приводит к увеличению размеров транзисторного модуля, а такжетребует более эффективного отвода тепла от кремниевого кристалла.

 

Новые технологии производства биполярных транзисторов направлены на преодоление этих ограничений, и перспективность примененияIGBT очень высока также и в высоковольтном приводе. В настоящее время IGBT транзисторы применяются в высоковольтных преобразователях в виде последовательно соединенных нескольких единичных модулей.

Структура и принцип работы низковольтного преобразователя частоты на IGBT транзисторах

Типовая схема низковольтного преобразователя частоты представлена на рис. 7. В нижней части рисунка изображены графики напряжений и токов на выходе каждого элемента инвертора.

 

Переменное напряжение питающей сети (uвх.)с постоянной амплитудой и частотой (U вх = const, f вх = const) поступает на управляемый или неуправляемый выпрямитель (1).

 

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (uвыпр.) используется фильтр (2). Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока.

 

С выхода фильтра постоянное напряжение u d поступает на вход автономного импульсного инвертора (3).

 

Автономный инвертор современных низковольтных преобразователей, как было отмечено, выполняется на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT. На рассматриваемом рисунке изображена схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения как получившая наибольшее распространение.

 

 

В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения ud в трехфазное (или однофазное) импульсное напряжение u и изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечиваетсяв середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя.Амплитуда и частота напряженияопределяются параметрами модулирующей синусоидальной функции.

 

При высокой несущей частоте ШИМ (2 … 15 кГц) обмотки двигателя вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи.

 

В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем (1) изменение амплитуды напряжения uи может достигаться регулированием величины постоянного напряжения ud, а изменение частоты – режимом работы инвертора.

 

При необходимости на выходе автономного инвертора устанавливается фильтр (4) для сглаживания пульсаций тока. (В схемах преобразователей на IGBT в силу низкого уровня высших гармоник в выходном напряжении потребность в фильтре практически отсутствует.)

 

Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (вых = var, f вых = var).

 

Сделать заказ на частотный преобразователь

www.softstarter.ru

технические отличия векторных и скалярных преобразователей

 

 

 

 

Технические различия между векторными и скалярными частотными

преобразователями

 

Вопрос: На рынке представлены векторные и скалярные частотные преобразователи, причем

векторные ощутимо дороже. Каковы технические различия между ними?

 

Вопрос не так прост, чтобы ответить на него односложным образом. Сами по себе термины

"векторный" и "скалярный" являются неточными применительно к характеристике

частотных преобразователей. Поскольку речь идет по существу о параметре переменного

тока, то использование термина "скалярный" вообще недопустимо. Из курса элементарной

физики хорошо известно, что скалярная величина - это такая величина, каждое значение которой (в отличие от вектора) может быть выражено одним (действительным) числом,

вследствие чего совокупность значений скаляра можно изобразить на линейной шкале (скале - отсюда название). Длина, площадь, время, температура и т. д. - скалярные величины. Векторными величинами, или векторами, называют величины, имеющие и численное

значение, и направление. В этой связи разделение частотных преобразователей на скалярные

и векторные в принципе некорректно, и отражает стремление менеджеров торговых

компаний обосновать более высокие цены на один из типов преобразователей, якобы имеющий превосходство над другим.

 

Что касается технической стороны дела, она заключается в следующем.

 

Основным способом корректировки вращающего момента на валу электродвигателя является

изменение частоты и величины тока обмоток статора, что приводит к изменению силы его

вращающегося магнитного поля. Большинство частотных преобразователей устроены таким

образом, что дают возможность пользователю настроить характеристику выходных

электрических параметров под конкретный вид оборудования. Например, в зависимости от

величины момента инерции приводимого в движение оборудования можно придать

характеристике выходного тока преобразователя линейный, параболический или гиперболический вид.

 

Так, если необходимо стронуть с места тяжелую массу на приводимом в движение

транспортере, характеристике выходного тока следует придать гиперболический вид. Водяные насосы и вентиляторы желательно приводить в движение по параболической

кривой, что дает экономию электроэнергии. По этому алгоритму работают практически все

частотные преобразователи, называемые неправильным термином "скалярные", более точным названием которых было бы: "частотные преобразователи с предварительной настройкой частоты и величины выходного тока".

 

Другим эффективным средством повышения момента на валу электродвигателя является

использование 3-й гармоники выходного тока, вектор которой, как и кратных ей более

высоких гармоник, вращается в ту же сторону, что и вектор тока основной гармоники (50

Гц), т.е., имеет прямую последовательность. Другие же вращаются в обратном направлении

и имеют обратную последовательность. Общий ток нейтрали, вычисляемый по формуле:

может превышать фазные токи, поскольку амплитуда колебаний третьей гармоники

существенно больше амплитуд последующих гармоник. Данный эффект может быть

использован для увеличения мощности выходного тока и увеличения момента на валу двигателя.

 

Инженерная мысль, однако, не стоит на месте и некоторые разработчики приняли решение

использовать для управления моментом на валу двигателя не только частоту и силу

питающего тока, но и его фазу. Кстати, именно отсюда появился и начал гулять по интернету и рекламным изданиям термин "векторный" частотный преобразователь.

 

Первые попытки создать частотный преобразователь с управлением моментом двигателя по фазе питающего тока строились на измерении параметров выходного тока и напряжения (по

аналогии с электросчетчиком) и вычислении необходимого сдвига фаз. Эти попытки

оказались недостаточно эффективными, особенно на малых скоростях вращения двигателя,

хотя для этой цели использовались процессоры с внушительными вычислительными мощностями.

 

Технические различия между векторными и скалярными частотными

преобразователями

 

Лучших результатов удалось достичь путем введения контура обратной связи для контроля

положения ротора двигателя. Используя обратную связь по скорости вращения ротора

двигателя и, вычисляя в режиме текущего времени необходимую скорость вращения магнитного поля статора, удалось оптимизировать стабильность момента вращения в довольно широком диапазоне за счет дополнительного сдвига фаз.

 

Физическая природа явления кроется в конструкции асинхронного электродвигателя с

короткозамкнутым ротором. Вращающееся магнитное поле пересекает замкнутую обмотку ротора, где появляются токи, которые, взаимодействуя с магнитным полем статора, создают

механическую силу. Эта сила вынуждает ротор вращаться в направлении вращения

магнитного поля статора, однако, скорость вращения ротора всегда будет отставать на 3-6% от скорости вращения магнитного поля.

 

Такое отставание называется скольжением, и именно оно обеспечивает превращение

электрической энергии в механическую энергию в асинхронном электродвигателе. Строго

говоря, при отсутствии скольжения в обмотках ротора не будет возникать электродвижущая

сила, соответственно не будет взаимодействия магнитных полей и не будет возникать момент вращения ротора.

 

Иными словами, если в т.н. "скалярных" преобразователях объектом контроля и управления

является только магнитное поле статора, то в т.н. "векторных" преобразователя объектом

контроля и управления является как магнитное поле статора, так и ротора, а точнее - их взаимодействие с целью оптимизации момента вращения на различных скоростях. Что

касается методов контроля и управления, то в первом случае используется выходная частота и ток преобразователя, а во втором случае - выходная частота, ток и его фаза.

 

Для чего это делается? Как известно, момент вращения электродвигателя прямо

пропорционален силе тока и обратно пропорционален скорости вращения ротора.

Разработчики "векторных" преобразователей ставили перед собой вполне определенную

цель - обеспечить высокий постоянный момент на валу электродвигателя на малых

скоростях вращения, т.е. потерю момента вращения вследствие низкой скорости стремились

компенсировать повышением тока и усилением сцепления магнитных полей статора и ротора.

Если бы поставленная цель была достигнута, частотно-регулируемый асинхронный

электропривод превратился бы в сервопривод, где высокий постоянный момент на валу

обеспечивается даже при нулевой скорости вращения. Однако, принципиальные

конструктивные и электротехнические различия между асинхронным электродвигателем и

серводвигателем настолько велики, что никакие усилия и уловки разработчиков не могут

серьезно приблизить асинхронный электропривод к сервоприводу. Вследствие этого

эффективность т.н. "векторных" методов не так велика, как этого им хотелось - на малых скоростях вращения электродвигателя она мало заметна. Более того, на малых скоростях вращения да еще при повышенном токе происходит перегрев двигателя, что вынуждает разработчиков применять внешние вентиляторы обдува.

 

В рекламе т.н. "векторных" преобразователей упор делается на постоянство момента

вращения двигателя в широком диапазоне частот. Таким способом подчеркивается, что "невекторные" преобразователи эти свойством не обладают.

 

Подобные утверждения не имеют под собой серьезной основы.

 

Во-первых, все разговоры о моменте вращения имеют смысл на этапе проектирования

привода, когда производятся необходимые расчеты, подбираются электродвигатели, редукторы, компоненты для передачи движения. В процессе эксплуатации частотно-

регулируемого асинхронного электропривода предметом контроля и управления является

уже собственно технологический параметр (скорость вращения, давление, температура, влажность, яркость и т.д.).

 

Технические различия между векторными и скалярными частотными

преобразователями

 

Во-вторых, асинхронный электродвигатель имеет одно уникальное свойство, а именно:

способность изменять момент вращения в зависимости от момента сопротивления на валу. Иными словами, асинхронный двигатель потребляет только такую величину тока, которая

обеспечивает равенство момента вращения и момента сопротивления, создаваемого нагрузкой.

 

По этой причине, при правильном выборе мощности электродвигателя на этапе

проектирования привода в т.н. "векторных" способах управления моментом вращения

вообще-то нет особой нужды, тем более что и они на минимальных скоростях малоэффективны.

 

Жизнь идет вперед, время покажет, является ли "векторный" вариант столбовой дорогой

развития частотно-регулируемого асинхронного привода, или канет в лету, как многие другие произведения инженерной мысли.

 

Сейчас же совершенно очевидно, что дополнительная плата, взимаемая за т.н. "векторность" преобразователя технически не оправдана, а любое усложнение системы, как известно, ведет к снижению ее надежности.

 

Другим немаловажным обстоятельством, препятствующим широкому распространению т.н.

"векторных" преобразователей, является невозможность их использования в

многодвигательных приводах, тогда как преобразователи с предварительной настройкой

частоты и величины выходного тока (т.н. "скалярные") могут одновременно управлять работой неограниченного количества электродвигателей.

 

Иными словами, с точки зрения эксплуатационных свойств частотных преобразователей, их

следовало бы классифицировать не по принципу "векторные" - "скалярные", а по способу

управления параметрами выходного тока, а именно:

 

1) Преобразователи с предварительной настройкой параметров выходного тока.

Используются в большинстве общепромышленных приводов как с обратной связью по

контролю технологического параметра так и без нее, включая приводы насосов,

вентиляторов, конвейеров, транспортеров, экструдеров, в том числе одно- и многодвигательные системы.

 

2) Преобразователи с динамической настройкой параметров выходного тока. Используются в однодвигательных приводах высокоточного технологического

оборудования. Могут быть с обратной связью по контролю положения ротора двигателя и без нее. По точности и глубине регулирования скорости вращения несколько превосходят преобразователи первого типа, но значительно уступают сервоприводам.

 

Что касается проблемы в целом, следует иметь ввиду, что для решения конкретных задач в области управляемого привода применяются соответствующие электродвигатели со своими

системами управления - шаговые моторы с контроллерами, серводвигатели с контроллерами,

двигатели постоянного тока с контроллерами и, наконец, асинхронные и синхронные

электродвигатели с частотными преобразователями. Попытки создать универсальный привод

заведомо обречены на провал, поскольку конструктивные различия между приводами

слишком велики, а решаемые приводами задачи просто несопоставимы. Невозможно создать из асинхронного двигателя серводвигатель, а из синхронного шаговый, даже если встроить в него полсотни полюсов.

 

Что же делать? Все гениальное просто - достаточно правильно спроектировать привод с

учетом необходимого момента на валу в самом неблагоприятном диапазоне частот

вращения, а управление технологическим параметром поручить ПИД-регулятору, который имеется в большинстве скалярных преобразователей.   автор статьи

большинстве современных т.н. "скалярных" преобразователей.

sites.google.com


Смотрите также