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:

1. Выпрямление входного переменного однофазного (220 В) или трёхфазного (380 В) электрического тока с помощью диодного блока.
2. Конденсаторная фильтрация с целью уменьшения пульсации напряжения.
3. Подача напряжения на микросхему и тиристорный мост.
4. 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.