Частотні перетворювачі - структура, принцип роботи
Частотні перетворювачі – це пристрій, призначений для перетворення змінного струму (напруги) однієї частоти змінний струм (напруга) іншої частоти.
Вихідна частота в сучасних перетворювачах може змінюватися в широкому діапазоні і бути як вище, так і нижче частоти мережі живлення.
Схема будь-якого перетворювача частоти складається з силової та керуючої частин. Силова частина зазвичай виконана на тиристорах чи транзисторах, які працюють у режимі електронних ключів. Керівна частина виконується на цифрових мікропроцесорах та забезпечує управління силовими електронними ключами, а також вирішення великої кількості допоміжних завдань (контроль, діагностика, захист).
Частотні перетворювачі, що застосовуються в регульованому електроприводі, залежно від структури та принципу роботи силової частини поділяються на два класи:
- З явно вираженою проміжною ланкою постійного струму.
- З безпосереднім зв'язком (без проміжної ланки постійного струму).
- практично найвищий ККД щодо інших перетворювачів (98,5% і вище),
- здатність працювати з великими напругами і струмами, що уможливлює їх використання в потужних високовольтних приводах,
- відносна дешевизна, незважаючи на збільшення абсолютної вартості за рахунок схем керування та додаткового обладнання.
Кожен з існуючих класів має свої переваги інедоліки, які визначають область раціонального застосування кожного з них.
Використання тиристорів, що не замикаються, вимагає відносно складних систем управління, які збільшують вартість перетворювача.
"Різана" синусоїда на виході перетворювача є джерелом вищих гармонік, які викликають додаткові втрати в електричному двигуні, перегрів електричної машини, зниження моменту, дуже сильні перешкоди в мережі живлення. Застосування компенсуючих пристроїв призводить до підвищення вартості, маси, габаритів, зниження к.п.д. системи загалом.
Поряд із перерахованими недоліками перетворювачів з безпосереднім зв'язком, вони мають певні переваги. До них відносяться:
Подібні схеми перетворювачів використовуються в старих приводах і нові конструкції практично не розробляються.
У частотних перетворювачах цього класу використовується подвійне перетворення електричної енергії: вхідна синусоїдальна напруга з постійною амплітудою і частотою випрямляється у випрямлячі (В), фільтрується фільтром (Ф), згладжується, а потім знову перетворюється інвертором (І) змінну напругу змінної частоти. Подвійне перетворення енергії призводить до зниження к.п.д. та до деякого погіршення масогабаритних показників по відношенню до перетворювачів із безпосереднім зв'язком.
Для формування синусоїдальної змінної напруги використовуються автономні інвертори напруги та автономні інвертори струму.
В якості електронних ключів в інверторах застосовуються тиристори GTO, що замикаються, і їх удосконалені модифікації GCT, IG C T, SGCT, і біполярні транзистори з ізольованим затвором IGBT.
Головною перевагою тиристорних перетворювачів частоти, як і в схемі з безпосереднім зв'язком, є здатність працювати з великими струмами та напругами, витримуючи при цьому тривале навантаження та імпульсні дії.
Вони мають вищий ККД (до 98%) по відношенню до перетворювачів на IGBT транзисторах (95 – 98%).
Перетворювачі частоти на тиристорах в даний час займають домінуюче положення у високовольтному приводі в діапазоні потужностей від сотень кіловат до десятків мегават з вихідною напругою 3 - 10 кВ і вище. Однак їх ціна на один кВт вихідної потужності найбільша у класі високовольтних перетворювачів.
До недавнього минулого перетворювачі частоти на GTO становили основну частку і в низьковольтному частотно регульованому приводі.Але з появою IGBT транзисторів стався «природний відбір» і сьогодні перетворювачі на їх базі загальновизнані лідери в області частотно-регульованого приводу.
Тиристор є напівкерованим приладам: для його включення достатньо подати короткий імпульс на висновок, що управляє, але для вимикання необхідно або прикласти до нього зворотну напругу, або знизити комутований струм до нуля. Для цього в тиристорному перетворювачі частоти потрібна складна та громіздка система керування.
Біполярні транзистори з ізольованим затвором IGBT відрізняють від тиристорів повна керованість, проста неенергоємна система управління, найвища робоча частота.
Внаслідок цього перетворювачі частоти на IGBT дозволяють розширити діапазон керування швидкості обертання двигуна, підвищити швидкість приводу в цілому.
Для асинхронного електроприводу з векторним керуванням перетворювачі на IGBT дозволяють працювати на низьких швидкостях без датчика зворотного зв'язку.
Застосування IGBT з вищою частотою перемикання разом із микропроцессорнойсистемой управління у частотних перетворювачах знижує рівень вищих гармонік, притаманних тиристорних перетворювачів. Як наслідок менші додаткові втрати в обмотках і магнітопроводі електродвигуна, зменшення нагрівання електричної машини, зниження пульсацій моменту та виключення так званого крокування ротора в області малих частот. Знижуються втрати у трансформаторах, конденсаторних батареях, збільшується їх термін служби та ізоляції проводів, зменшуються кількість помилкових спрацьовувань пристроїв захисту та похибки індукційних вимірювальних приладів.
Частотні перетворювачі на транзисторах IGBT в порівнянні з тиристорними перетворювачами приоднакової вихідної потужності відрізняються меншими габаритами, масою, підвищеною надійністю через модульне виконання електронних ключів, кращого тепловідведення з поверхні модуля і меншої кількості конструктивних елементів.
Вони дозволяють реалізувати більш повний захист від кидків струму та від перенапруги, що суттєво знижує ймовірність відмов та пошкоджень електроприводу.
На даний момент низьковольтні перетворювачі на IGBT мають більш високу ціну на одиницю вихідної потужності внаслідок відносної складності виробництва транзисторних модулів. Однак за співвідношенням ціна/якість, виходячи з перерахованих переваг, вони явно виграють у тиристорних, крім того протягом останніх років спостерігається неухильне зниження цін на IGBT модулі.
Головною перешкодою на шляху їх використання у високовольтному приводі з прямим перетворенням частоти та при потужностях вище 1 – 2 МВт зараз є технологічні обмеження. Збільшення напруги, що комутується, і робочого струму призводить до збільшення розмірів транзисторного модуля, а також вимагає більш ефективного відведення тепла від кремнієвого кристала.
Нові технології виробництва біполярних транзисторів спрямовані на подолання цих обмежень, і перспективність застосування IGBT дуже висока також у високовольтному приводі. В даний час транзистори IGBT застосовуються у високовольтних перетворювачах у вигляді послідовно з'єднаних декількох одиничних модулів.
Структура та принцип роботи низьковольтного перетворювача частоти на IGBT транзисторах
Типова схема низьковольтного перетворювача частоти представлена на рис. 7. У нижній частині малюнка зображені графіки напруги та струмів на виході кожного елемента інвертора.
Змінненапруга мережі живлення (uвх.)з постійною амплітудою і частотою (U вх = const, f вх = const) надходить на керований або некерований випрямляч (1 ).
Для згладжування пульсацій випрямленої напруги (uвипр.) використовується фільтр (2). Випрямляч та ємнісний фільтр (2) утворюють ланку постійного струму.
З виходу фільтра постійна напруга u d надходить на автономний вхідний імпульсного інвертора (3).
Автономний інвертор сучасних низьковольтних перетворювачів, як було зазначено, виконується на основі біполярних силових транзисторів з ізольованим затвором IGBT. На аналізованому малюнку зображено схему перетворювача частоти з автономним інвертором напруги як набула найбільшого поширення.
В інверторі здійснюється перетворення постійної напруги u d трифазна (або однофазна) імпульсна напруга u і змінної амплітуди і частоти. За сигналами системи управління кожна обмотка електричного двигуна приєднується через відповідні силові транзистори інвертора до позитивного та негативного полюсів ланки постійного струму. Тривалість підключення кожної обмотки в межах періоду проходження імпульсів модулюється за синусоїдальним законом. Найбільша ширина імпульсів забезпечується у середині напівперіоду, а на початок і кінець напівперіоду зменшується. Таким чином, система управління забезпечує широтно-імпульсну модуляцію (ШІМ) напруги, що прикладається до обмоток двигуна. Амплітуда і частота напруги визначаються параметрами модулюючої синусоїдальної функції.
При високій несучій частоті ШІМ (2...15 кГц) обмотки двигуна внаслідок їх високої індуктивності працюють як фільтр. Тому в них протікають практично синусоїдальні струми.
У схемахперетворювачів з керованим випрямлячем (1) зміна амплітуди напруги u і може досягатися регулюванням величини постійної напруги u d, а зміна частоти - режимом роботи інвертора.
При необхідності на виході автономного інвертора встановлюється фільтр для згладжування пульсацій струму. (У схемах перетворювачів на IGBT через низький рівень вищих гармонік у вихідній напрузі потреба у фільтрі практично відсутня.)
Таким чином, на виході перетворювача частоти формується трифазна (або однофазна) змінна напруга змінної частоти і амплітуди (вих = var, f вих = var).
Перейдіть до розділів, наведених нижче, виберіть потрібне обладнання та покладіть його в кошик. - Перетворювачі частоти - Обладнання для плавного пуску
для перетворювачів частоти серій ES022, ES024, ES025 та ES026