Меню

Как преобразовать частоту переменного тока

Способы увеличения частоты тока

Наиболее популярным на сегодняшний день методом увеличения (или уменьшения) частоты тока является применение частотного преобразователя. Частотные преобразователи позволяют получить из однофазного или трехфазного переменного тока промышленной частоты (50 или 60 Гц) ток требуемой частоты, например от 1 до 800 Гц, для питания однофазных или трехфазных двигателей.

Наряду с электронными частотными преобразователями, с целью увеличения частоты тока, применяют и электроиндукционные частотные преобразователи, в которых например асинхронный двигатель с фазным ротором работает частично в режиме генератора. Еще есть умформеры — двигатели-генераторы, о которых также будет рассказано в данной статье.

Способы увеличения частоты тока

Электронные преобразователи частоты

Электронные преобразователи частоты позволяют плавно регулировать скорость синхронных и асинхронных двигателей благодаря плавному повышению частоты на выходе преобразователя до заданного значения. Наиболее простой подход обеспечивается заданием постоянной характеристики V/f, а более прогрессивные решения используют векторное управление.

Частотные преобразователи, обычно, включают в себя выпрямитель, который преобразует переменный ток промышленной частоты в постоянный; после выпрямителя стоит инвертор, в простейшем виде — на базе ШИМ, который преобразует постоянное напряжение в переменный ток нагрузки, причем частота и амплитуда задаются уже пользователем, и эти параметры могут отличаться от сетевых параметров на входе в большую или в меньшую сторону.

Выходной блок электронного преобразователя частоты чаще всего представляет собой тиристорный или транзисторный мост, состоящий из четырех или из шести ключей, которые и формируют требуемый ток для питания нагрузки, в частности — электродвигателя. Для сглаживания помех в выходном напряжении, на выходе добавляют EMC-фильтр.

Как говорилось выше, электронный преобразователь частоты использует для своей работы в качестве ключей тиристоры или транзисторы. Для управления ключами применяется микропроцессорный модуль, служащий контроллером, и одновременно выполняющий ряд диагностических и защитных функций.

Между тем, частотные преобразователи бывают все таки двух классов: с непосредственной связью, и с промежуточным звеном постоянного тока. При выборе между этими двумя классами взвешивают достоинства и недостатки того и другого, и определяют целесообразность того или иного для решения насущной задачи.

Частотный преобразователь

С непосредственной связью

Преобразователи с непосредственной связью отличаются тем, что в них используется управляемый выпрямитель, в котором группы тиристоров поочередно отпираясь коммутируют нагрузку, например обмотки двигателя, прямо к питающей сети.

В результате на выходе получаются кусочки синусоид сетевого напряжения, а эквивалентная частота на выходе (для двигателя) становится меньше сетевой, в пределах 60% от нее, то есть от 0 до 36 Гц для 60 Гц входа.

Такие характеристики не позволяют в широких пределах варьировать параметры оборудования в промышленности, от того и спрос на данные решения низок. Кроме этого незапираемые тиристоры сложно управляются, стоимость схем становится выше, да и помех на выходе много, требуются компенсаторы, и как следствие габариты высокие, а КПД низкий.

С звеном постоянного тока

Гораздо лучше в этом отношении частотные преобразователи с ярко выраженным звеном постоянного тока, где сначала переменный сетевой ток выпрямляется, фильтруется, а затем снова схемой на электронных ключах преобразуется в переменный ток нужной частоты и амплитуды. Здесь частота может быть значительно выше. Безусловно, двойное преобразование несколько снижает КПД, зато выходные параметры по частоте как раз соответствуют требованиям потребителя.

Чтобы на обмотках двигателя получить чистый синус, используют схему инвертора, в котором напряжение нужной формы получается благодаря широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Электронными ключами здесь служат запираемые тиристоры или IGBT-транзисторы.

Тиристоры выдерживают большие импульсные токи, по сравнению с транзисторами, поэтому все чаще прибегают именно к тиристорным схемам, как в преобразователях с непосредственной связью, так и в преобразователях с промежуточным звеном постоянного тока, КПД получается до 98%.

Справедливости ради отметим, что электронные преобразователи частоты для питающей сети являются нелинейной нагрузкой, и порождают в ней высшие гармоники, это ухудшает качество электроэнергии.

С целью преобразования электроэнергии из одной ее формы в другую, в частности — для повышения частоты тока без необходимости прибегать к электронным решениям, применяют так называемые умформеры — двигатели-генераторы. Такие машины функционируют подобно проводнику электроэнергии, однако на самом деле прямого преобразования электроэнергии, как например в трансформаторе или в электронном частотном преобразователе, как такового не происходит.

Здесь доступны следующие возможности:

постоянный ток может быть преобразован в переменный более высокого напряжения и требуемой частоты;

постоянный ток может быть получен из переменного;

прямое механическое преобразование частоты с повышением или понижением оной;

получение трехфазного тока требуемой частоты из однофазного тока сетевой частоты.

В каноническом виде мотор-генератор представляет собой электродвигатель, вал которого напрямую соединен с генератором. На выходе генератора устанавливают стабилизирующее устройство для улучшения частотных и амплитудных параметров получаемой электроэнергии.

Мотор-генератор (умформер)

В некоторых моделях умформеров якорь содержит обмотки и моторные и генераторные, которые гальванически развязаны, и выводы которых соединены соответственно с коллектором и с выходными контактными кольцами.

В других вариантах встречаются общие обмотки для обоих токов, например для преобразования числа фаз коллектора с контактными кольцами нет, а просто от обмотки статора делаются отводы для каждой из выходных фаз. Так асинхронная машина преобразует однофазный ток в трехфазный (тождественно в принципе увеличению частоты).

Итак, мотор-генератор позволяет преобразовать род тока, напряжение, частоту, количество фаз. До 70-х годов в военной технике СССР использовались преобразователи данного типа, где они питали, в частности, устройства на лампах. Однофазные и трехфазные преобразователи питались постоянным напряжением 27 вольт, а на выходе получалось переменное напряжение 127 вольт 50 герц однофазное или 36 вольт 400 герц трехфазное.

Мощность таких умформеров достигала 4,5 кВА. Подобные машины использовались и в электровозах, где постоянное напряжение 50 вольт преобразовывалось в переменное 220 вольт частотой до 425 герц для питания люминесцентных ламп, и 127 вольт 50 герц для питания бритв пассажиров. Первые ЭВМ часто использовали для своего питания умформеры.

По сей день кое-где еще можно встретить умформеры: на троллейбусах, в трамваях, в электропоездах, где их устанавливали с целью получения низкого напряжения для питания цепей управления. Но нынче они уже вытеснены почти полностью полупроводниковыми решениями (на тиристорах и транзисторах).

Преобразователи типа мотор-генератор ценны рядом достоинств. Во-первых это надежная гальваническая развязка выходной и входной силовых цепей. Во-вторых, на выходе получается чистейший синус без помех, без шумов. Устройство очень просто по своей конструкции, от того и обслуживание довольно бесхитростно.

Это легкий способ получения трехфазного напряжения. Инерция ротора сглаживает броски тока при резком изменении параметров нагрузки. И конечно, здесь очень просто осуществлять рекуперацию электроэнергии.

Не обошлось и без недостатков. Умформеры имеют движущиеся части, от того и ресурс их ограничен. Масса, вес, обилие материалов, и как следствие — высокая стоимость. Шумная работа, вибрации. Необходимость в частой смазке подшипников, чистке коллекторов, замене щеток. КПД в пределах 70%.

Несмотря на недостатки, механические моторы-генераторы по сей день применяются в электроэнергетической отрасли для преобразования больших мощностей. В перспективе моторы-генераторы вполне могут помочь согласованию сетей с частотами 60 и 50 Гц, либо для обеспечения сетей с повышенными требованиями по качеству электроэнергии. Питание обмоток ротора машины в данном случае возможно от твердотельного преобразователя частоты небольшой мощности.

Источник

Преобразователь частоты

Изменить скорость вращения электромотора можно, используя силовое электронное устройство – преобразователь частоты (ПЧ). С его помощью выполняют изменение частоты трёхфазного или однофазного напряжения. Изменению подвергается переменный ток частотой 50 Гц. С помощью ПЧ его преобразуют в трёх,- или однофазный ток с частотой, лежащей в интервале 1-800 Гц.

Преобразователь частоты Delta VFD004EL43A

Что такое частотник

Частотником в обиходе называют ПЧН (преобразователь частоты и напряжения). Это устройство, позволяющее не только регулировать частоту переменного тока и напряжения, но и создавать целый спектр защитных опций для присоединяемой нагрузки.

Читайте также:  При динамическом торможении ток якоря

Важно! Изменение частоты на выходе ПЧ относительно частоты на входе происходит по обусловленному порядку V/f или с применением векторного регулирования.

Классификация преобразователей частоты

Подобные устройства можно разделить на два типа: электроиндукционный и электронный. К первым ПЧ относятся работающие в режиме генератора-преобразователя асинхронные моторы с фазными роторами.

Ко вторым – следует относить электронные ПЧ (инверторы). Они подразделяются на два вида:

  • непосредственные;
  • двухзвенные.

Подключаемые непосредственно в сеть и не нуждающиеся в дополнительных устройствах реверсивные преобразователи на тиристорах представляют собой непосредственные ПЧ.

Двухзвенные ПЧ включают в свой состав транзисторную или тиристорную схему (одно звено) и второе звено постоянного тока (ПТ).

К сведению. Двухзвенные преобразователи всегда идут в комплекте: инвертор частотник и выпрямитель, который выдаёт постоянный ток.

Классификация ПЧ

Структура частотного преобразователя

Состав блоков, из которых состоят устройства, зависит от их класса. Преобразователи непосредственного включения состоят из блоков:

  • блок системы управления;
  • тиристорный блок (управляемый выпрямитель);
  • электродвигатель.

Структура ПЧ с узлом постоянного тока (ПТ) выглядит следующим образом:

  • звено ПТ;
  • импульсный инвертор трёх фаз;
  • управляющая система.

Нагрузкой тоже выступает электродвигатель, частота вращения которого подлежит регулировке.

Непосредственные частотные преобразователи (НПЧ)

К этим типам устройств относятся аппараты, выполненные по двум схемам: естественного и принудительного коммутирования. Циклоконверторы обладают естественной коммутацией и включают в себя совокупность преобразователей на реверсивных тиристорах. Используются также сборки, имеющие совместное или раздельное управление.

Упрощённая схема НПЧ с естественной коммутацией

Принудительная коммутация НПЧ выполняется с применением запираемых тиристоров или транзисторов, входящих в состав ключей управления (матриц). Непосредственное управление осуществляет ШИМ – контроллер.

Внимание! ШИМ – это широтно-импульсная модуляция, которая позволяет управлять частотой и напряжением на двигателе, изменяя скважность управляющих ключами импульсов. В этом случае любую фазу сети можно подключить к любой фазе мотора.

ПНЧ с принудительной коммутацией

Частотные преобразователи со звеном ПТ

В состав такого звена входят выпрямитель, не имеющий управления, и фильтр. Трёхфазное переменное напряжение, поданное на его вход, выпрямляется и фильтруется. После чего снова при помощи инвертора преобразуется в переменное напряжение, но его уже возможно изменять по частоте и амплитуде.

Схема двойного преобразования

Принцип действия преобразователя частоты

Преобразователь напряжения и частоты работает следующим образом:

  • выпрямленное напряжение поступает на 6 ключей, собранных на транзисторах;
  • обмотки мотора присоединяются к «+» и «-» звена ПТ;
  • управляемый инвертор преобразует сглаженное постоянное напряжение в переменное (трёхфазное).

Управляя инвертором, изменяют такие параметры, как частота, напряжение и амплитуда (U, V, W).

Как подключить и настроить ПЧ

Подключение можно выполнять, как к трёхфазной (380 В), так и однофазной сети (220 В). При присоединении следует обеспечить следующие действия (для обоих вариантов):

  • установить защитный автомат в фазной цепи перед преобразователем (однофазный или трёхфазный выключатель);
  • выходы фаз ПЧ соединить с контактами обмоток электродвигателя, предварительно соединённых в «звезду» или «треугольник» (отмечено в инструкции по эксплуатации частотника);
  • подключить к аппарату и разместить в доступном месте управляющий ПЧ пульт.

Подключение ПЧ к трёхфазной сети

Важно! Токи автоматических выключателей подбираются по току фазы (Iф) для трёхфазной сети и трёхкратному Iф – для однофазной сети.

Подключение ПЧ к однофазной сети

После того, как схема собрана, регулятор вращения вала мотора убирают в минимальное положение. Далее выполняется следующее:

  • включают автомат и подают питание;
  • фиксируют включение по индикации светодиодов на панели (начальные показания);
  • далее нажимают кнопку «ПУСК» («RUN») кратковременным нажатием (пуск осуществится по запрограммированным изготовителем параметрам «по умолчанию»);
  • медленное вращение вала в нужную сторону указывает на правильную регулировку, в противном случае изменяют направление движения с помощью опции «реверс»;
  • после пуска выставляют желаемую частоту вращения вала электродвигателя.

Внимание! Возможно, на дисплее высвечивается частота напряжения питания (Гц) вместо значений частоты, с которой вращается вал (об./мин.). Не стоит путать эти две величины.

Для чего преобразователь напряжения и частоты (ПНЧ)

Он необходим для управления приводом синхронных и асинхронных электрических машин. Там, где необходимо осуществлять контроль над частотой вращения вала, используют ПНЧ.

Где используются частотные преобразователи

Подобной аппаратурой пользуются в промышленных масштабах: в устройствах, требующих регулировки скоростей вращения электромоторов и устранения негативного влияния амплитудных токов при пуске. К подобным устройствам относятся:

  • лифты;
  • насосы центробежные, центрифуги и вентиляторы;
  • транспортёры и поточные линии;
  • станки, требующие точного позиционирования.

Наличие обратной связи при управлении ПЧ обеспечивает корректную регулировку вращения привода.

Способ управления

Частотные преобразователи управляются разными способами. К основным командам относятся: пуск, остановка, регулировка скорости, аварийное торможение. Эти действия допустимо выполнять как с панели ПЧ, так и с пульта. Это касается подачи команд от оператора к оборудованию. Осуществлять управление работой электропривода моторов ЧМ может следующими способами:

  • скалярным;
  • векторным.

Скалярная регулировка опирается на постоянное соотношение выходных напряжения и частоты (Uвых/Fвых). Данный метод не требует применения датчика, указывающего на текущее положение ротора. Применяется там, где нагрузки не изменяющиеся, и нет повышенных динамических нагрузок.

Важно! При такой регулировке нагрузка на двигатель влияет на скорость: при большой нагрузке скорость уменьшается, при малой – увеличивается.

Векторный метод опирается не только на контроль над U/F, но и угол, и величину вектора пространства (фазу). При данном методе отсутствует инерционность регулировки, она осуществляется в большом интервале скоростей.

Внимание! При векторном способе нагрузка не влияет на скорость вращения, постоянство скорости достигается при помощи автоматической корректировки напряжения на выходе.

Как выбрать частотник

Существует несколько критериев, по которым выбирают аппарат.

По мощности

Мощность преобразователя (P) должна быть немного больше, чем электрическая мощность двигателя, которым он будет управлять. Электрическая мощность, которую двигатель будет потреблять, равна произведению значений напряжения и тока (В*А). Частотник подбирают с 15-20% запасом мощности.

Шильдик на электродвигателе

Напряжение в сети

От того, какое напряжение будет являться питающим (380 В или 220 В), зависит выбор регулятора. Величина Uпит указана в техпаспорте прибора.

Частотная регулировка

Интервал регулировки частот преобразователя, заявленный производителем, должен позволять регулировать вращение вала присоединяемого электромотора в спектре его скоростных характеристик.

Дискретные входы

Наличие входов обязательно. Они нужны для подачи (ввода) команд. С их помощью можно изменять параметры преобразователя и его состояние.

Дискретные входы

Соотношение цены и количества выводов

Подобрать частотник по цене можно, руководствуясь количеством функциональных выводов. От их количества зависит не только стоимость, но и удобство подключения, управления, настройки и регулировки.

Схема выводов инвертора Delta VFD-B

Перегрузки и ШУ

Шина управления (ШУ) подбирается под конкретный инвертор. Хорошим вариантом при приобретении будет ШУ, которая имеет достаточный запас колодок (разъёмов) для подключения. Это позволит в дальнейшем подключать к аппарату дополнительную аппаратуру, устройства защиты от перегрузок. Учесть все необходимые качества поможет сборка частотного преобразователя своими руками.

Как сделать преобразователь частоты собственноручно

Многие любители пробуют изготавливать преобразователи частоты своими руками.

Схема самодельного инвертора

Схема хорошо работает с мотором мощностью до 1 кВт, российского и зарубежного производства.

Для изготовления инвертора понадобятся следующие детали:

  • микросхемы: К155ЛА3, К155ИЕ4, К155ЛП5;
  • транзисторы: КТ315 (3 шт.), КТ817В (3шт.);
  • диоды: КД105Г – 3 шт.;
  • резисторы сопротивлением: 10 кОм (3 шт.), 6,2 кОм (3 шт.), 1 кОм (3 шт.), 220 Ом и переменный резистор на 1 кОм;
  • конденсаторы: 0,33 и 0,1 мкФ;
  • электролитические конденсаторы: 100 мкФ*10 В и 1000 мкФ*50 В.

Этому частотнику, своими руками изготовленному, обязательно нужен блок питания на 27 В и 5 В постоянного напряжения. Электродвигатель подключают согласно схеме.

Включение электромотора в схему

Если обращаться к современным технологиям, то создание инвертора можно выполнять на базе платформы Ардуино. Регуляторы частоты – незаменимая вещь для управления электроприводом, как в бытовых, так и в промышленных условиях.

Видео

Источник



Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

В различных ситуациях может возникнуть необходимость преобразования частоты исходного тока в ток с напряжением регулируемой частоты. Это требуется, например, при работе асинхронных двигателей для изменения их скорости вращения. В этой статье будет рассмотрены назначение и принцип работы частотного преобразователя.

Читайте также:  Машины переменного тока доклад

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

Что такое частотный преобразователь

Частотный преобразователь (ПЧ) – это электротехническое устройство, которое преобразовывает и плавно регулирует однофазный или трехфазный переменный ток с частотой 50 Гц в аналогичный по типу ток с частотой от 1 до 800 Гц. Такие устройства широко применяются для управления работой различных электрических машин асинхронного типа, например, для изменения частоты их вращения. Также существуют аппараты для использования в промышленных высоковольтных сетях.

Простые преобразователи регулируют частоту и напряжение в соответствии с характеристикой V/f, сложные приборы используют векторное управление.

Частотный преобразователь является технически сложным устройством и состоит не только из преобразователя частоты, но и имеет защиту от перегрузок по току, от перенапряжения и короткого замыкания. Также такое оборудование может иметь дроссель для улучшения формы сигнала и фильтры для уменьшения различных электромагнитных помех. Различают электронные преобразователи, а также электромашинные устройства.

Принцип работы частотного преобразователя

Электронный преобразователь состоит из нескольких основных компонентов: выпрямителя, фильтра, микропроцессора и инвертора.

Выпрямитель имеет связку из диодов или тиристоров, которые выпрямляют исходный ток на входе в преобразователь. Диодные ПЧ характеризуются полным отсутствием пульсаций, являются недорогими, но при этом надежными приборами. Преобразователи на основе тиристоров создают возможность для протекания тока в обоих направлениях и позволяют возвращать электрическую энергию в сеть при торможении двигателя.

Фильтр используется в тиристорных устройствах для снижения или исключения пульсаций напряжения. Сглаживание производится с помощью ёмкостных или индуктивно-ёмкостных фильтров.

Микропроцессор – является управляющим и анализирующим звеном преобразователя. Он принимает и обрабатывает сигналы с датчиков, что позволяет регулировать выходной сигнал с преобразователя частоты встроенным ПИД-регулятором. Также данный компонент системы записывает и хранит данные о событиях, регистрирует и защищает аппарат от перегрузок, короткого замыкания, анализирует режим работы и отключает устройство при аварийной работе.

Инвертор напряжения и тока используется для управления электрическими машинами, то есть для плавного регулирования частоты тока. Такое устройство выдает на выходе «чистый синус», что позволяет использовать его во многих сферах промышленности.

Принцип работы электронного частотного преобразователя (инвертора) заключается в следующих этапах работы:

  1. Входной синусоидальный переменный однофазный или трехфазный ток выпрямляется диодным мостом или тиристорами;
  2. При помощи специальных фильтров (конденсаторов) происходит фильтрация сигнала для снижения или исключения пульсаций напряжения;
  3. Напряжение преобразуется в трехфазную волну с определенными параметрами с помощью микросхемы и транзисторного моста;
  4. На выходе из инвертора прямоугольные импульсы преобразовываются в синусоидальное напряжение с заданными параметрами.

Виды преобразователей частоты

Существует несколько типов частотников, которые на данный момент являются самыми распространенными для производства и использования:

Электромашинные (электроиндукционные) преобразователи: используются в тех случаях, когда невозможно или нецелесообразно применение электронных ПЧ. Конструктивно такие устройства являются асинхронными двигателями с фазным ротором, которые работают в режиме генератора-преобразователя.

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

Данные устройства являются преобразователями со скалярным управлением. На выходе из данного аппарата создается напряжение заданной амплитуды и частоты для поддержания определенного магнитного потока в обмотках статора. Они применяются в тех случаях, когда не требуется поддерживать скорость вращения ротора в зависимости от нагрузки (насосы, вентиляторы и прочее оборудование).

Электронные преобразователи: широко применяется в любых условиях работы для различного оборудования. Такие устройства являются векторными, они автоматически вычисляют взаимодействие магнитных полей статора и ротора и обеспечивают постоянное значение частоты вращения ротора вне зависимости от нагрузки.

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

  1. Циклоконверторы;
  2. Циклоинверторы;
  3. ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока:
  • Частотный преобразователь источника тока;
  • Частотный преобразователь источника напряжения (с амплитудно- или широтно- импульсной модуляцией).

По сфере применения оборудование может быть:

  • для оборудования мощностью до 315 кВт;
  • векторные преобразователи для мощности до 500 кВт;
  • взрывозащищённые устройства для применения во взрывоопасных и запыленных условиях;
  • частотные преобразователи, монтируемые на электродвигатели;

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

Каждый тип частотного преобразователя имеет определенные преимущества и недостатки и применим для различного оборудования и нагрузок, а также условий работы.

Управление частотным преобразователем может быть ручным или внешним. Ручное управление осуществляется с пульта управления ПЧ, которым можно отрегулировать частоту вращения или остановить работу. Внешнее управление выполняется при помощи автоматических систем управления (АСУТП), которые могут контролировать все параметры устройства и позволяют переключать схему или режим работы (через ПЧ или байпас). Также внешнее управление позволяет программировать работу преобразователя в зависимости от условий работы, нагрузки, времени, что позволяет работать в автоматическом режиме.

Для чего может быть нужен электродвигателю частотный преобразователь

Применение частотных преобразователей позволяет снизить затраты на электроэнергию, расходы на амортизацию двигателей и оборудования. Их возможно использовать для дешевых двигателей с короткозамкнутым ротором, что снижает издержки производства.

Многие электродвигатели работают в условиях частой смены режимов работы (частые пуски и остановки, изменяющуюся нагрузку). Частотные преобразователи позволяют плавно запускать электродвигатель и снижают максимальный пусковой момент и нагрев оборудования. Это важно, например, в грузоподъемных машинах и позволяет снизить негативное влияние резких пусков, а также исключить раскачивание груза и рывки при остановке.

При помощи ПЧ можно плавно регулировать работу нагнетательных вентиляторов, насосов и позволяет автоматизировать технологические процессы (применяются в котельных, на горнодобывающих производствах, в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей сферах, на водопроводных станциях и других предприятиях).

Использование частотных преобразователей в транспортерах, конвейерах, лифтах позволяет увеличить срок службы их узлов, так как снижает рывки, удары и другие негативные факторы при пусках и остановке оборудования. Они могут плавно увеличивать и уменьшать частоту вращения двигателя, осуществлять реверсивное движение, что важно для большого количества высокоточного промышленного оборудования.

Преимущества частотных преобразователей:

  1. Снижение затрат на электроэнергию: за счет снижения пусковых токов и регулирования мощности двигателя исходя из нагрузки;
  2. Увеличение надежности и долговечности оборудования: позволяет продлить срок эксплуатации и увеличить срок от одного технического облуживания до другого;
  3. Позволяет внедрить внешний контроль и управление оборудованием с удаленных компьютерных устройств и способность встраивания в системы автоматизации;
  4. Частотные преобразователи могут работать с любой мощностью нагрузки (от одного киловатта до десятков мегаватт);
  5. Наличие специальных компонентов в составе частотных преобразователей позволяет защитить от перегрузок, обрыва фазы и короткого замыкания, а также обеспечить безопасную работу и отключение оборудования при возникновении аварийной ситуации.

Конечно, глядя на такой список достоинств можно задаться вопросом, почему бы их не использовать для всех двигателей на предприятии? Ответ тут очевиден, увы, но это высокая стоимость частотников, их монтаж и наладка. Не каждое предприятие может позволить себе эти расходы.

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

Особенности и схема подключения частотного преобразователя к разным типам электродвигателей

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

Схема работы устройства плавного пуска, его назначение и конструкция

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

Устройство, виды и принцип действия асинхронных электродвигателей

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

Проверка электродвигателей разного вида с помощью мультиметра

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

Преобразователи напряжения с 12 на 220 вольт

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

Что такое импульсный блок питания и где применяется

Источник

Преобразователи частоты

В данной статье мы рассмотрим что такое частотный преобразователь, сферы применения преобразователей частоты, их плюсы и минусы, а также схемы частотников.

  1. Виды преобразователей частоты
  2. Способы управления преобразователем
  3. Режимы управления частотными преобразователями
  4. Преимущества частотных преобразователей
  5. Сферы применения

Преобразователи частоты (или частотники) – электротехническое оборудование для регулирования частоты переменного напряжения. Основная сфера применения этих устройств – изменение частоты вращения и крутящего момента электрических машин асинхронного типа. Принцип действия управления и регулирования основан на зависимости скорости вращения магнитного поля от частоты питающего напряжения.

Асинхронные электродвигатели широко используются в качестве приводов промышленного оборудования, насосных агрегатов, регулирующей арматуры и других устройств. Основным недостатком этих электрических машин являются постоянная скорость вращения, большие пусковые токи. При помощи частотных преобразователей возможно устранить эти недостатки и существенно расширить сферу применения электродвигателей переменного тока.

Читайте также:  Есть ли ток в теле человека

Виды преобразователей частоты

Частотные преобразователи различаются по конструкции, принципу действия, способу управления. По конструктивному исполнению преобразователи частоты разделяют на две большие группы:

Электромашинные частотники.

Электромашинные или индукционные преобразователи частоты представляют собой двигатели переменного тока, включенные в режим генератора. Применяются такие электротехнические устройства относительного редко, в условиях, где затруднено или невозможно применение электронных частотных преобразователей.

Электронные преобразователи.

Полупроводниковые ЧП состоят из силовой части, выполненной на транзисторах или тиристорах, и схемы управления на базе микроконтроллеров. Это электротехническое оборудование пригодно для трехфазных и однофазных приводов любого назначения. Различают ЧП с непосредственной связью с питающей сетью и устройства с промежуточным звеном постоянного тока.

Непосредственные преобразователи частоты

Такие частотники построены на базе быстродействующих тиристорных преобразователей, включенных по мостовым, перекрестным, нулевым и встречно-параллельным схемам.

Устройства такого типа включаются непосредственно в питающую сеть.

Плюсы непосредственных преобразователей частоты:

  • Возможностью рекуперации электроэнергии в сеть при работе в режиме торможения двигателя. Непосредственное включение обеспечивает двусторонний обмен электричеством.
  • Высоким к.п.д. за счет однократного преобразования частоты.
  • Возможностью наращивания мощности за счет присоединения дополнительных преобразователей.
  • Широким диапазоном низких частот. Непосредственные преобразователи обеспечивают стабильную работу привода на малых скоростях.

Минусы непосредственных преобразователей частоты:

  • Аппроксимированная форма выходного напряжения с наличием постоянных составляющих и субгармоник. Такая форма переменного напряжения на выходе устройства вызывает дополнительный нагрев двигателя, снижает момент, создает помехи.
  • Частота напряжения на выходе преобразователя не превышает аналогичную характеристику сетевого напряжения. Таким образом, при помощи этих устройств можно только снижать скорость вращения двигателей.
  • Основная сфера непосредственных преобразователей – электроприводы на базе асинхронных и синхронных двигателей большой и средней мощности.

Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока.

Частотные преобразователи этого типа выполнены на базе схемы двойного преобразования. Питающее сетевое напряжение преобразуется в постоянное, затем сглаживается и инвертируется в переменное выходное напряжение заданной частоты.

Плюсы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:

  • Возможностью получения выходного напряжения с частотой как выше, так и ниже аналогичного параметра сети питания. Частотники на базе схемы двойного преобразования используют для высоко- средне- и низкоскоростных электроприводов.
  • Чистой синусоидальной формой напряжения на выходе. Схема преобразователя позволяет получать переменное напряжение с минимальным отклонением от синусоидальной формы.
  • Возможностью построения простых и сложных силовых и управляющих схем для приводов с различными требованиями к скорости реагирования, диапазону скоростей.
  • Возможностью адаптации к сетям постоянного тока. Преобразователи данного типа можно приспособить для питания от резервных и аварийных источников постоянного тока без дополнительных устройств. Это позволяет применять такие частотники в приводах ответственного оборудования с резервными источниками электроэнергии.
  • Разнообразием алгоритмов управления. Преобразователи со звеном постоянного тока можно запрограммировать и адаптировать практически ко всем электроприводам, в том числе и претенциозным, где требуется особо точное регулирование скорости и момента.

Минусы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:

  • Относительно большую массу и габариты, что обусловлено наличием выпрямительного, фильтрующего и инверторного блоков.
  • Повышенные потери мощности. Схема двойного преобразования несколько уменьшает общий к.п.д.

Устройство преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока

Состоят такие преобразователи из нескольких основных блоков:

  • Выпрямителя. Для ЧП используются диодные и тиристорные преобразователи постоянного тока. Первые отличаются высоким качеством постоянного напряжения практически с полным отсутствием пульсации, низкой стоимостью и надежностью. Однако диодные выпрямители не позволяют реализовать возможность рекуперации электроэнергии в сеть при торможении двигателя. Выпрямители на тиристорах обеспечивают возможность протекания тока в обоих направлениях и позволяют отключать преобразователь от сети без дополнительной коммутирующей аппаратуры.
  • Фильтра. Выходное напряжение тиристорных управляемых выпрямителей имеет значительную пульсацию. Для ее сглаживания используют реакторы, емкостные или индуктивно-емкостные фильтры.
  • Инвертора. В ЧП используют инверторы напряжения и тока. Последние обеспечивают рекуперацию электроэнергии в сеть и применяются для управления электрическими машинами с частым пуском, реверсом и остановкой, например, крановыми двигателями.
  • Частотники на базе инверторов напряжения выдают на выходе напряжение формы “чистый синус”. Благодаря этому преобразователи такого типа получили наиболее широкое распространение.
  • Микропроцессора. Этот блок осуществляет управление входным выпрямителем, прием и обработку сигналов с датчиков, взаимодействие с автоматизированной системой высшего уровня, запись и хранение информации о событиях, формирует выходное напряжения ЧП соответствующей частоты. А также выполняет функции защиты от перегрузок, обрыва фазы и других аварийных и ненормальных режимов работы.

Способы управления преобразователем

По принципу управления различают 2 основных вида частотных преобразователей:

ЧП со скалярным управлением

Частотники этого типа выдают на выходе 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 регулировки скорости составляет около 10 % от номинальной частоты вращения. Их можно использовать для управления сразу несколькими двигателями. Скалярные ЧП используют для приводов насосных агрегатов, вентиляторов и других устройств и оборудования, где не требуется поддерживать скорость вращения ротора вне зависимости от нагрузки.

ЧП с векторным управлением

Микропроцессорные устройства преобразователей с векторным управлением автоматически вычисляют взаимодействие магнитных полей статора и ротора. ЧП такого типа обеспечивают постоянную частоту вращения ротора вне зависимости от нагрузки. Они используются для оборудования, где необходимо поддерживать необходимый момент силы при низких скоростях, высокое быстродействие и точность регулирования. Применение векторных ЧП позволяет регулировать частоту вращения, задавать требуемый момент на валу.

ЧП с векторным управлением делятся на преобразователи бездатчикового типа и устройства с обратной связью по скорости. Последние используются для приводов с широким диапазоном регулирования скорости до 1:1000, необходимости позиционирования точного положения вала, регулирования момента при низких скоростях, точного поддержания частоты вращения, пуска двигателя с номинальным моментом. Преобразователи без датчика скорости применяют для приводов с более низкими требованиями.

Режимы управления частотными преобразователями

В большинстве моделей современных частотных преобразователей реализована возможность управления в нескольких режимах:

1) Ручное управление.

2) Внешнее управление.

3) Управление по дискретным входам или “сухим контактам”.

4) Управление по событиям.

Преимущества частотных преобразователей.

1) Экономия электроэнергии.

2) Увеличение срока службы промышленного оборудования.

3) Отсутствие необходимости проводить техническое обслуживание.

4) Возможность удаленного управления и контроля параметров оборудования с электроприводом.

5) Широкий диапазон мощности двигателей.

6) Защита электродвигателя от аварий и аномальных режимов работы.

7) Снижение уровня шума работающего двигателя.

Сферы применения

Частотно-регулируемые приводы применяют:

  • Для кранов и грузоподъемных машин . Крановые двигатели работают в режиме частых пусков, остановок, изменяющейся нагрузки. ЧП обеспечивают отсутствие рывков и раскачивания груза при пусках и остановках, остановку крана точно в требуемом месте, снижают нагрев электродвигателей и максимальный пусковой момент.
  • Для привода нагнетательных вентиляторов в котельных и дымососов. Общее управление с плавной регулировкой дутьевых и вытяжных вентиляторов позволяет автоматизировать процесс горения и обеспечить максимальный к.п.д . котельных агрегатов.
  • Для транспортеров, прокатных станов, конвейеров, лифтов. ЧП регулирует скорость перемещения транспортного оборудования без рывков и ударов, что увеличивает срок службы механических узлов. Для насосных агрегатов. ЧП позволяют обойтись без задвижек и вентилей, регулирующих давление и производительность, и существенно увеличить общий к.п.д системы водоподачи.
  • Для электродвигателей станков. Использование преобразователя частоты вместо коробки передач позволяет плавно увеличивать или уменьшать частоту вращения рабочего органа станка, осуществлять реверс. ЧП широко используются для станков с ЧПУ и высокоточного промышленного оборудования.

Внедрение частотно-регулируемых приводов дает значительный экономический эффект. Снижение затрат достигается за счет сокращения потребления электроэнергии, расходов на ремонт и ТО двигателей и оборудования, возможности использования более дешевых асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, а также сокращения других производственных издержек. Средний срок окупаемости частотных преобразователей составляет от 3-х месяцев до трех лет.

Источник