Види частотних перетворювачів - Школа для електрика все про електротехніку та електроніку

Для перетворення мережної змінної напруги промислової частоти 50/60 Гц змінну напругу іншої частоти використовують пристрої, звані частотними перетворювачами. Вихідна частота перетворювача частоти може змінюватись у широких межах, зазвичай – від 0,5 до 400 Гц. Вищі частоти неприйнятні для сучасних двигунів через особливості матеріалів, у тому числі виготовляються сердечники статора і ротора.

Будь-який частотний перетворювач включає дві основні частини: керуючу і силову. Керуюча частина являє собою схему на цифровій мікросхемі, яка забезпечує управління ключами силової частини, а також служить для контролю, діагностики та захисту приводу живлення і самого перетворювача.

Силова частина включає безпосередньо ключі — потужні транзистори або тиристори. При цьому частотні перетворювачі бувають двох видів: з вираженою ділянкою постійного струму або з прямим зв'язком. Перетворювачі з безпосереднім зв'язком мають ККД до 98%, і здатні працювати зі значними напругами та струмами. Взагалі, кожен із двох названих видів частотників відрізняється індивідуальними перевагами і недоліками, й у різних застосувань може бути раціональним застосувати той чи інший.

З безпосереднім зв'язком

Частотні перетворювачі з прямим гальванічним зв'язком з'явилися на ринку першими, їх силова частина - це керований тиристорний випрямляч, в якому по черзі відкриваються певні групи тиристорів, що закриваються, і по черзі підключають до мережі обмотки статора. Тобто в результаті напруга, що подається на статор, формою є шматочки мережевої синусоїди, які і подаються по черзі на обмотки.

Синусоїдальна напруга перетворюється на виході в пилкоподібну. Частота виходить нижче за мережну — від 0,5 до приблизно 40 Гц. Очевидно, сфери застосування перетворювачів такого типу виходить обмеженою. Тиристори ж незаперечні вимагають складніших схем управління, що підвищує вартість даних приладів.

Шматочки синусоїди на виході породжують вищі гармоніки, а це додаткові втрати і перегрів двигуна зі зниженням крутного моменту на валу, крім того, в мережу йдуть неслабкі перешкоди. Якщо застосовуються пристрої компенсації, то знову ж таки вартість зростає, габарити і маса збільшуються, знижується ККД перетворювача.

До переваг частотників з безпосереднім гальванічним зв'язком ставляться:

можливість тривалої роботи зі значними напругами та струмами;
стійкість до імпульсних навантажень;
ККД до 98%;
застосовність у високовольтних ланцюгах від 3 до 10 кВ і навіть вище.

При цьому високовольтні частотні перетворювачі, звичайно, виходять дорожче за низьковольтні. Раніше використовувалися скрізь, де потрібно — саме тиристорні перетворювачі з безпосереднім зв'язком.

З вираженою ланкою постійного струму

Для сучасних приводів, з метою частотного регулювання, широко застосовуються частотні перетворювачі з вираженим блоком постійного струму. Тут перетворення виконується за два кроки. Спочатку вхідна мережна напруга випрямляється і фільтрується, згладжується, потім подається на інвертор, де перетворюється на змінний струм необхідної частоти та напруга необхідної амплітуди.

ККД при такому подвійному перетворенні знижується, та й габарити пристрою стають дещо більшими, ніж у перетворювачів.з безпосереднім електричним зв'язком. Синусоїда формується тут автономним інвертором струму та напруги.

У частотних перетворювачах зі ланкою постійного струму як силові ключі виступають тиристори або IGBT-транзистори, що замикаються. Тиристори, що замикалися, використовувалися в основному в перших частотних перетворювачах такого типу, що випускаються, потім, з появою на ринку IGBT-транзисторів, саме перетворювачі на цих транзисторах стали домінувати серед низьковольтних пристроїв.

Для включення тиристора досить короткого імпульсу, поданого на електрод, що управляє, а для вимкнення потрібно прикласти до тиристору зворотну напругу або скинути струм комутації до нуля. Потрібна спеціальна схема управління - складна та габаритна. Біполярні ж IGBT-транзистори мають більш гнучку керованість, менш енерговитратну і досить високошвидкісну.

Тому саме частотні перетворювачі на базі IGBT-транзисторів дозволили розширити діапазон швидкостей управління приводами: асинхронні двигуни векторного управління на базі IGBT-транзисторів можуть спокійно працювати на малих швидкостях без потреби в датчиках зворотного зв'язку.

Мікропроцесори разом з швидкодіючими транзисторами пропонують на виході менше вищих гармонік, ніж тиристорні перетворювачі. В результаті втрати виявляються меншими, менше перегріваються обмотки та магнітопровід, пульсації ротора на низьких частотах знижуються. Найменше втрат у конденсаторних батареях, у трансформаторах - термін служби цих елементів збільшується. Похибок під час роботи стає менше.

Якщо порівняти тиристорний перетворювач з транзисторним тієї ж вихідної потужності, то другий менше важитиме, буде менше в розмірах, його робота виявиться більшенадійною та рівною. Модульне виконання IGBT-ключів дозволяє ефективніше відводити тепло, і вимагає менше місця для монтажу силових елементів, до того ж модульні ключі краще захищені від комутаційних перенапруг, тобто можливість відмови нижче.

Частотні перетворювачі на базі IGBT коштують дорожче, оскільки силові модулі складні у виробництві електронними компонентами. Проте ціна виправдовується якістю. Статистика при цьому свідчить про тенденцію до зниження з кожним роком цін на IGBT-транзистори.

Принцип роботи частотного перетворювача на IGBT

На малюнку представлена схема частотного перетворювача та графіки струмів та напруг на кожному з елементів. Змінна напруга мережі постійної амплітуди і частоти подається на випрямляч, який може бути керованим або некерованим. Після випрямляча стоїть конденсатор - ємнісний фільтр. Ці два елементи – випрямляч та конденсатор – утворюють собою вузол постійного струму.

З фільтра вже постійна напруга подається на автономний імпульсний інвертор, в якому працюють IGBT-транзистори. На схемі представлено типове для сучасних частотних перетворювачів рішення. Постійна напруга перетворюється на трифазну імпульсну з регульованою частотою та амплітудою.

Система управління подає кожен із ключів своєчасно сигнали, і відповідні обмотки послідовно комутуються до ланці постійного струму. При цьому тривалість підключення обмоток до ланки модулюється наближаючись до синуса. Так, у центральній частині півперіоду ширина імпульсів найбільша, а по краях найменше. Тут має місце широтно-імпульсна модуляція напруги на статорних обмотках двигуна. Частота ШІМ досягає зазвичай 15 кГц, і обмотки саміпрацюють як індуктивний фільтр, у результаті струми через них майже синусоїдальні.

Якщо на вході керований випрямляч, то зміна амплітуди відбувається за допомогою управління випрямлячем, а інвертор відповідає лише за перетворення частоти. Іноді на виході інвертора встановлюється додатковий фільтр для гасіння струмових пульсацій (дуже рідко до цього вдаються за малих потужностей перетворювачів). Так чи інакше, на виході виходить трифазна напруга та змінний струм із заданими користувачем основними параметрами.