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.

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.

Классификация частотных преобразователей

В первую очередь, данные устройства различаются по режимам работы:

• Амплитудно-частотное регулирование (скалярное) – применяются в обычных установках с вентиляторами, насосами, тележками, транспортерами и т.д. где не требуется стабилизация оборотов двигателя
• Векторное регулирование – используются на любом оборудовании, где возможны резкие изменения крутящего момента на валу, причем в большом диапазоне и где нужна высокая стабильность оборотов на валу электродвигателя.

По типу питания:

• Низковольтный 0,4 кВ
• Среднее напряжение 0,69 кВ
• Высоковольтный 6 и 10 кВ

Также данные устройства бывают с промежуточным звеном (связью) и без него. О характере работы таких устройств читайте тут, в ещё одной нашей статье.

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.

Назначение преобразователей частоты

Преобразователи частоты (ПЧ) предназначены для регулирования скорости или момента электродвигателя в широком диапазоне и с максимальным КПД.

Преобразователь частоты обеспечивает полную защиту двигателя: от короткого замыкания на землю и между фазами, тепловую защиту от перегрузки по току и моменту.

Преобразователь частоты измеряет, регистрирует, отображает и передаёт по сети АСУ ТП параметры двигателя: ток, скорость, момент, мощность, напряжение, температуру, потреблённую электроэнергию

Частотный преобразователь обеспечивает:

• высокий пусковой момент при низком пусковом токе и низких оборотах двигателя (за счёт эффективного управления электромагнитным полем)
• высокий перегрузочный момент двигателя
• длительный плавный разгон или останов двигателя с высокоинерционной нагрузкой
• эффективное динамическое торможение двигателя
• управление работой двигателя, как в двигательном, так и в генераторном режиме
• максимальный КПД двигателя во всех режимах работы
• управление электромагнитным тормозом (в подъёмниках)
• ПИД-регулирование переменной процесса
• работу двигателя с обратной связью по скорости и положению
• локальное управление технологическим процессом (в ПЧ может быть встроен логический контроллер, расширяемые входы для подключения датчиков и выходы для управления исполнительными устройствами).

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.

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.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ

Важнейшей характеристикой любого преобразователя является количество фаз и величина напряжения.

Подавляющее большинство частотных преобразователей рассчитаны на подключение в трехфазную сеть 220/380 В и позволяют получить на выходе те же три фазы, но с возможностью регулировки частоты и напряжения.

На втором месте по распространенности находятся устройства для подключения в однофазную сеть 220 В с преобразованием в три фазы 380 В. Такие устройства находят применение в быту для подключения промышленных трехфазных двигателей в однофазную бытовую сеть.

Таким образом, перечень основных параметров выглядит следующим образом:

• количество фаз;
• величина напряжения;
• мощность нагрузки;
• диапазон регулировки частоты;
• пределы изменения выходного напряжения.

Из дополнительных опций, которые присутствуют в хороших моделях устройств следует отметить возможность параллельной работы нескольких преобразователей, подключение нескольких двигателей, обратная связь для точной регулировки оборотов согласно заданной функции, наличие функции торможения и рекуперации.

Для осуществления перечисленных функций устройства снабжены несколькими аналоговыми и цифровыми выходами. Некоторые модели имеют стандартный интерфейс для подключения персонального компьютера. Многие модели оборудованы входом для подключения термодатчика.

Электродвигатели в большинстве для уменьшения нагрева оборудованы собственными крыльчатками для обдува корпуса.

При работе на низких оборотах эффективность крыльчатки падает в геометрической прогрессии. Для предотвращения перегрева обмоток и используется внешний термодатчик, который прерывает подачу питания на двигатель при критическом нагреве обмоток.

Подбор необходимого преобразователя по параметрам призван сократить финансовые расходы без снижения надежности при сохранении необходимой функциональности. Известно, что чем шире функциональность и больше мощность преобразователя, тем он дороже, причем стоимость растет непропорционально мощности, а несколько быстрее.

Мощность частотника должна с некоторым запасом перекрывать пиковую мощность подключенного электродвигателя. Следует учитывать, что максимальный ток асинхронные двигатели потребляют в момент пуска и при увеличении нагрузки на ротор. В зависимости от мощности двигателя, пусковой ток может превосходить номинальный в 3-5 раз.

Диапазон изменения частоты обычно имеет стандартную величину 1:10, но можно встретить дорогие модели с расширенным диапазоном. Обычно недорогие частотники со скалярным управлением работают с меньшим диапазоном. Более прогрессивные – векторные, теоретически не имеют верхнего предела изменения частоты. Их диапазон ограничен областью применения и стоимостью.

Принцип действия частотного преобразователя

Принцип действия частотного преобразователя базируется на особенностях работы асинхронного электродвигателя. В электрическом двигателе такого типа частота вращения магнитного поля (величина n1) зависит от частоты напряжения питающей сети. В случае, когда питание обмотки статора выполняется трехфазным напряжением, имеющим частоту f, генерируется вращающееся магнитное поле, скорость вращения которого определяется по нижеприведенной формуле:

, где

р – это число пар статорных полюсов.

Переход от скорости вращения поля ω1, которая измеряется в радианах, к частоте вращения n1 (об/мин), выполняется согласно формуле:

, где

60 – это коэффициент пересчета размерности.

Если подставить в это уравнение скорость вращения поля ω1, получим следующее равенство:

Отсюда несложно заключить, что показатель частоты вращения ротора асинхронного электродвигателя зависит от частоты напряжения питающей сети. Именно эта зависимость и отображает всю суть метода частотного регулирования. Частотный преобразователь для электродвигателя изменяет частоту напряжения питания на входе и, как следствие, регулирует частоту вращения ротора. Подчеркнем, что выходная частота в современных частотниках изменяется в широком диапазоне, а, значит, эта величина может быть как ниже, так и выше частоты питающей сети.

Частотник для электродвигателя, принцип работы силовой части которого лег в основу нижеприведенной классификации, соответствует следующим параметрам:

• Преобразователи с явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.
• Преобразователи с непосредственной связью (промежуточное звено постоянного тока отсутствует).

По историческим меркам первыми появились частотные преобразователи с непосредственной связью. В этих агрегатах силовая часть представляет собой управляемый выпрямитель, выполненный на тиристорах. Управляющий узел в порядке очереди отпирает группы тиристоров, тем самым формируя выходной сигнал. Сегодня этот метод преобразования в новых разработках не используется.

Как работает преобразователь этого класса? Здесь используется двойное преобразование электроэнергии: входное синусоидальное напряжение (величины L1, L2, L3 на рисунке) с постоянной амплитудой/частотой выпрямляется в выпрямительном блоке (BR), фильтруется и сглаживается в блоке фильтрации (ВF), как результат, — получаем постоянное напряжение. Представленный узел носит название – звено постоянного тока.

решение задач формирования синусоидального переменного напряжения с регулируемой частотой отвечает блок преобразования (BD). Роль электронных ключей, формирующих выходной сигнал, выполняют биполярные транзисторы с изолированным затвором IGВТ. Процесс управления вышеперечисленными блоками происходит согласно заблаговременно запрограммированному алгоритму микропроцессорным модулем или логическим блоком (BL).

Схема ниже показывает, что частотные преобразователи могут быть запитаны от внешнего звена постоянного тока. При этом защита частотника выполняется посредством быстродействующих предохранителей. Важно отметить, что использовать контакторы для питания от звена постоянного тока не рекомендуется. Дело в том, что при контакторной коммутации возникает повышенный зарядный ток и предохранители могут выгореть.

Характеристика частотных преобразователей

При выборе нужно смотреть на то, какой режим будет у электропривода, мощности мотора, диапазон регулировки скорости, поддержки точности вращающего номинального момента на моторе с открытым коллектором, времени разгона и торможения, множества включений в единицу времени.

Мощность многофункциональных программируемых преобразователей – это важный параметр вращающего номинального пускового момента электрического привода. Для этого нужно определиться со способностью к нагрузкам. В зависимости от номинала мощности мотора выбирается частотный преобразователь серии мощности, который рассчитывается на подходящую мощность (кВт). Это будет правильным выбором, если нагрузка на двигателе не будет меняться в динамике разгона, и ток не будет сильно выходить за номинал значения установки для вращающего момента двигателя и преобразователя.

Поэтому, лучше делать выбор по наибольшему токовому значению двигателя с режимом учета способности перегрузки. Способность к излишним нагрузкам дается в процентах от номинала тока за диапазон времени разгона. Чтобы правильно выбрать аналоговый выход двигателя, надо определить характер нагрузок имеющегося привода: уровень работы, период времени, частота появления нагрузок.

Структура преобразователя частоты

На электродвигателе есть три фазы. К фазам подключен входной дроссель для снижения нагрузки в пусковой момент. Дроссель исполняет роль входного фильтра. Следующий блок многофункционального программируемого частотного преобразователя – это высоковольтный выпрямитель. Он состоит из больших встроенных диодов. Далее, идет инвертор, который состоит из IGBT транзисторов в количестве 6 штук. На выходе инвертор создает фазы с измененной частотой.

На аналоговом входе до выпрямителя синусоида. В выпрямителе она выпрямляется. Выпрямленное напряжение формируется в миандр, то есть, прямоугольные импульсы на выходе. Не каждый электродвигатель с аналогового входа способен работать с преобразователем частоты. Существуют синфазные токи, которые за несколько минут разбивают подшипник. Это неоднократно проверялось. Микроконтроллер на выходе может менять не только целые герцы, но и доли герца. Каждый герц можно считать, как одной скоростью. Он может ее увеличивать до килогерц. Двигателям вращающего номинального момента большую частоту можно поднимать до 70 герц, будет увеличиваться скорость разгона двигателя. Превысив порог 70 герц, двигатель начнет воспринимать этот период. Паузы двигатель не будет воспринимать. Он воспримет их как постоянное напряжение. Он загудит, нагреется и сгорит. Поэтому слишком наращивать частоту не стоит.

Инвертор имеет ШИМ (широтно-импульсную модуляцию). Каждый период будет формироваться из множества открытий и закрытий транзистора. От частоты ШИМ-модуляции будет зависеть тепловой нагрев обмоток двигателя, возникнет шум при высокой частоте.

Чем больше скорость, тем будет меньше вращающий момент. У каждого двигателя есть моментная сила давления в Ньютон на метр. Чем меньше частота, тем сильнее будет давить электродвигатель при снижении нагрузки. Чем больше частота аналогового выхода, тем меньше сила давления. Это физическая формула, никуда от этого не деться. При увеличении скорости с пульта управления двигатель будет тянуть намного меньше. При низкой скорости сила двигателя будет в разы больше. Зависимость обратнопро-порциональная.

Применение частотного преобразователя

Применение частотных преобразователей позволило успешно реализовать эффективные системы регулирования скорости нижеприведенных объектов:

• насосы горячей/холодной воды в системах тепло- и водоснабжения;
• вспомогательные агрегаты котельных, ТЭС, ТЭЦ и котлоагрегатов;
• дробилки, мельницы, экструдеры и мешалки;
• различные песковые и пульповые насосы обогатительных фабрик;
• лифтовые установки;
• центрифуги разных типов;
• производственные линии картона, пленки и прочих ленточных материалов;
• крановое и эскалаторное оборудование;
• механизмы силовых манипуляторов;
• приводы буровых станков, специализированного оборудования и т.д.

В начале статьи уже было рассмотрено, для чего нужен частотный преобразователь, а на данном этапе освещения вопроса остается подчеркнуть, что этот тип оборудования позволяет получить существенный экономический эффект:

• экономия до 50% электроэнергии в агрегатах путем поддержания двигателя в режиме оптимального КПД;
• увеличение объема и оптимизация качества выпускаемой продукции;
• повышение уровня производительности производственного оборудования;
• снижение степени износа механических звеньев;
• продление срока эксплуатации технологического оборудования, коммутационной аппаратуры.

В конечном итоге, назначение преобразователя частоты – это обеспечение максимально эффективной и продуктивной работы оборудования со всеми вытекающими положительными аспектами.

Устройство частотного преобразователя

В большинстве случаев устройство частотного преобразователя базируется на схеме двойного преобразования. Агрегаты включают: звено постоянного тока (неуправляемый выпрямитель), силовой импульсный инвертор и управляющую систему. В свою очередь, звено постоянного тока включает неуправляемый выпрямитель и фильтр. Здесь переменное напряжение сети преобразуется в напряжение постоянного тока. В силовой трехфазный импульсный инвертор входит шесть транзисторных ключей и каждая обмотка двигателя подключается через определенный ключ к положительному/отрицательному выводам выпрямителя. Посредством инвертора выполняется преобразование выпрямленного напряжения в трехфазную переменную величину нужной частоты и амплитуды, прикладываемую к обмоткам статора электрического двигателя.

В роли ключей используются силовые IGBT-транзисторы. Если сравнивать их с тиристорами, то первые имеют более высокую частоту переключения, что дает возможность вырабатывать выходной сигнал синусоидальной формы при минимальных искажениях. Информация о том, как подключить и настроить частотный преобразователь будет рассматриваться ниже. В данном разделе приведено только общее устройство преобразователя частоты для ознакомления.

Как выбрать преобразователь частоты?

Чтобы упросить выбор частотного преобразователя, рекомендуем обратить внимание на таблицу, где приведены факторы, заслуживающие первостепенного внимания при подборе агрегата:

Также подбор частотного преобразователя исходит из определенного перечня задач, которые должен эффективно решать привод:

• тип и мощность подключаемого двигателя
• точность и диапазон регулирования скорости
• точность поддержания момента вращения на валу электродвигателя

Учитываются и конструктивные особенности ПЧ: форма, размер, пульт управление и т.п.

При работе с асинхронными электрическими двигателями, выбор преобразователя частоты должен основываться на соответствующей мощности. В случае, когда есть необходимость в большом пусковом моменте или минимальном времени разгона и торможения, рекомендуется обратить внимание на агрегаты на ступень выше стандартного. При выборе ПЧ для двигателя специального назначения, важно руководствоваться номинальным током преобразователя, который должен быть выше номинального тока электродвигателя.