Преобразователь частоты

В промышленных и бытовых электрических сетях переменного тока частота и напряжение на выходе не изменяются. Для регулирования скорости вращения асинхронного электродвигателя переменного тока применяется специализированное устройство – статический преобразователь напряжения (частотно регулируемый электрический привод). С его помощью осуществляется изменение уровня напряжения, подаваемого на обмотку якоря. В сетях, где используются двигатели переменного тока, частотные преобразователи выполняют функции управляемых выпрямителей.

Назначение преобразователя

Частотный преобразователь предназначен для изменения силы тока с частотой 50 Гц в системе электропитания однофазного или трёхфазного асинхронного двигателя. Показатели частот после преобразования в зависимости от условий эксплуатации могут изменяться от 1 до 800 Гц. Большинство промышленных преобразователей – это асинхронные двигатели электроиндукционного типа с фазными роторами.

В силу простоты конструкции, лёгкости использования и ремонтопригодности асинхронные двигатели в значительной мере преобладают перед синхронными. Они широко используются в промышленности, энергетике, электротранспорте, сфере ЖКХ. Для регулировки скорости вращения ротора асинхронного двигателя широко используется ряд устройств и механизмов:

Вариатор.
Гидромуфта.
Дополнительное сопротивление.
Статический преобразователь.

Вышеуказанные устройства имеют ряд недостатков, главные из которых – малый диапазон регулируемых скоростей и низкая экономичность. Для снижения влияния побочных факторов используются частотные преобразователи. Бесспорными преимуществами такого устройства являются:

Высокий (до 98%) КПД преобразования.
Постоянный контроль параметров асинхронного двигателя.
Использование только одной (активной) составляющей сетевого тока нагрузки.
Низкая аварийность.

Принцип действия

Перечень задач, которые необходимо выполнить комплексу оборудования при преобразовании частот, состоит из четырёх пунктов:

Выпрямление входного переменного однофазного (220 В) или трёхфазного (380 В) электрического тока с помощью диодного блока.
Конденсаторная фильтрация с целью уменьшения пульсации напряжения.
Подача напряжения на микросхему и тиристорный мост.
Преобразование прямоугольных импульсов в синусоидальное напряжение.

Частотный преобразователь состоит из следующих составных частей:

Выпрямитель (мост постоянного тока) для преобразования тока из электросетей в постоянный.
Инвертор для создания переменного тока.
Тиристорный блок для подачи тока на асинхронный электродвигатель.
Блок управления с микропроцессором для контроля параметров системы и диагностики неисправностей в электрической сети.

Самый маленький преобразователь частоты легко умещается на ладони. Он предназначен для работы с двигателями мощностью до 1 кВт. А самые мощные ПЧ с трудом умещаются в больших отдельных помещениях. Их задача – обеспечить корректную работу сети с двигателями мощностью до нескольких мегаватт.

Преобразователь частоты для асинхронных двигателей

Преобразователи частоты, применяемые в сетях с асинхронными электродвигателями, подразделяются на два класса:

По способу преобразования.

В таких схемах используются два типа связей :

Непосредственная связь, в которой обмотка электромотора контроллер работает с отдельными тиристорными группами. Довольно простая схема, имеющая один ярко выраженный недостаток. В ней очень небольшой диапазон электродвигателя. Кроме того, частота напряжения на выходе ниже, чем на входе. Синусоида в такой схеме «грязная», с большим количеством помех. В конечном счёте, это приводит к сильному перегреву двигателя;
Связь с промежуточным звеном постоянного тока, где после выпрямления, фильтрации и сглаживания ток преобразуется в переменный. Недостатком схемы является некоторая потеря КПД. Однако, положительные стороны такой схемы подключения очевидны: благодаря гибкости управления системой возможна работа с токами высокого напряжения.

По способу регуляции

Управление преобразованием также осуществляется двумя способами:

Скалярный способ, в котором соотношение тока на входе и выходе имеет фиксированные данные. Отличается небольшой себестоимостью организации электросети и узкими возможностями регулировки. Основная сфера применения схемы – электродвигатели вентиляторов, насосов, компрессоров и другого относительно маломощного оборудования;
Векторный способ, предусматривающий разделение каналов регулировки скорости вращения двигателя. Схема построения такого оборудования довольно дорогая, но окупается практически неограниченными возможностями управления. Применяется в оборудовании со сложными электросхемами;

При выборе схемы частотного преобразователя необходимо обратить внимание на несколько очень важных параметров:

Мощности электродвигателя и преобразователя должны быть сопоставимы. Запас при перегрузке должен составлять не менее 15%. Пиковый показатель мощности должен на 10% превышать паспортные данные;
Устройство должно иметь по нескольку входов и выходов. Это необходимо для подключения диагностического оборудования. Гнёзда должны быть трёх типов – дискретные, цифровые и аналоговые;
Для обеспечения требований безопасности при работе с электрическим током корпус преобразователя должен быть защищён от перегрузок, проводка должна быть экранирована, а платы обработаны специальной термопастой.

Тормозные резисторы для преобразователей частоты

Асинхронный двигатель устроен таким образом, что в момент торможения энергия движется в обратном направлении – к преобразователю. Это приводит к увеличению напряжения в сет и постоянного тока. Потери мощности определяют степень интенсивности торможения двигателя. Частотные преобразователи построены таким образом, что мощность торможения может составлять до 20% номинала. Это происходит за счёт собственных потерь ПЧВ. Этого вполне достаточно, если кинетическая энергия и время торможения не очень велики.

Для быстрого торможения необходимо воспользоваться тормозным резистором и ключом. Резистор включается в схему к шине постоянного тока для рассеяния энергии, поступающей от электродвигателя. Это делается для того, чтобы не допустить блокировки частотного преобразователя. Как правило, преобразователи для работы в сетях большой мощности комплектуются встроенными тормозными ключами. Это необходимо в схемах подъёмных механизмов, транспортёров, станков с дискретными режимами работы.

Тормозной резистор балластного типа имеет корпус из керамики. Необходимая степень защиты – IP00. Сопротивление резисторов – 80 Ом (мощность 1 кВт) и 400 Ом (мощность 200Вт). В одном номинале мощности ПЧВ используется на выбор две схемы:

Один тормозной резистор;
Одна группа резисторов, подключённая параллельно.

Это делается для того, чтобы была обеспечена нужная мощности в момент торможения. Продолжительность включения должна составлять не менее 10% времени полного цикла.