Принцип действия частотного преобразователя: принцип работы, особенности и применение в асинхронных электродвигателях

принцип работы, особенности и применение в асинхронных электродвигателях

Чаще всего преобразователи частоты используются для асинхронного двигателя, но встречаются они и в бытовой технике. Несмотря на распространённость, они обладают не только преимуществами, но и недостатками, устранять которые приходится, используя дополнительные приборы. Все преобразователи выполняют важную функцию, и представить хоть одно производство без частотника для асинхронных двигателей невозможно.

• Сферы применения устройства
• Принцип работы частотника
• Применение в асинхронных двигателях
• Основные составляющие прибора

Сферы применения устройства

Преобразователь частоты – это специальное устройства, которое устанавливается на мощные электродвигатели. Их главное предназначение — изменение частоты поступающего тока. Как известно, ток, который поступает из розетки имеет частоту, она равна 50 Гц. Для того чтобы ускорить или наоборот замедлить двигатель, эту частоту можно изменять. Роль, которую играет частотник – изменение частоты тока.

Самый яркий пример — это стиральные машины, они имеются у каждого в доме, для ускорения частоты вращения барабана частотник электродвигателя увеличивает частоту тока, чтобы уменьшить количество оборотов, производится обратное действие. Также их используют для плавного запуска мощных двигателей: современные частотники, могут изменять колебание тока от 1-800 Герц.

Принцип работы частотника

В основе работы частотника лежит инвертор с двойным преобразованием. Преобразователь работает по следующей схеме:

• Вначале переменный синусоидальный ток (220-380 В), поступающий в инвертор выпрямляется. Для выпрямления используется диодный мост.
• После ток поступает на группу конденсаторов, где он фильтруется и сглаживается.
• Далее, мостовые ключи из биполярных транзисторов (IGBT, БТИЗ) и управляющие микросхемы принимают отфильтрованный ток и формируют из него трёх или однофазную широтно-импульсную модуляцию с требуемыми параметрами.
• На выходе получается синусоидальный ток с уже изменёнными характеристиками, синусоидальность обеспечивается индуктивностью обмоток.

Более подробно весь процесс изображён на следующей схеме:

Применение в асинхронных двигателях

Асинхронные двигатели превосходят по мощности и производительности обычные электродвигатели, но при этом они обладают рядом недостатков. Основным из них является необходимость увеличения номинальной мощности при запуске в 5-7 раз, а также то, что для регулирования скорости вращения ротора необходимо использовать специальные устройства. Увеличение потребляемой мощности при запуске порождает скачки внутри сети и

ударные импульсы, в свою очередь, это негативно влияет на срок службы любого асинхронного двигателя.

Для решения всех проблем сразу был разработан асинхронный преобразователь частоты. Их использование удобно тем, что работа частотника происходит в автоматическом режиме, и поэтому контроль за токами происходит постоянно. Это устройство уменьшает пусковые токи, тем самым не создавая перегрузок в сети и не нанося вред двигателю, также он позволяет регулировать частоту вращения ротора. Отпадает необходимость в использовании магнитного пускателя. Главные плюсы частотника:

• экономия электроэнергии;
• увеличение долговечности двигателя;
• возможность регулирования работы двигателя;
• обеспечивает обратную связь смежных приводов.

В действительности, это настоящий генератор трехфазного напряжения, при помощи которого можно добиться нужной величины и частоты.

Основные составляющие прибора

В состав любого частотника входит четыре главных модуля:

• выпрямитель;
• блок фильтрации напряжения;
• инверторный узел;
• система управления на базе микропроцессора.

Все эти модули соединены блоком управления, он контролирует системы и отвечает за работу выходного каскада, выдаваемого инвертором. Современные устройства подобного типа также обладают определёнными защитными узлами, которые защищают его от превышения тока и коротких замыканий. Также они оборудованы датчиками слежения за температурой и прочими системами, позволяющими отслеживать отклонения от нормы при его работе.

Несмотря на то что частотник должен выпрямлять ток и держать постоянную его частоту, полностью сгладить пульсации он не может, это связано с переменной составляющей и непостоянством тока в самой сети. Для того чтобы полностью убрать эти колебания, используются катушки индуктивности и конденсаторы. Их подключение и настройка происходит, как правило, в системе частотного преобразователя. Катушка сглаживает ток, благодаря своему реактивному сопротивлению, в свою очередь, конденсатор, пропуская через себя ток, выдаёт не переменное, а постоянное напряжение.

Встречаются частотные преобразователи как для однофазных сетей, так и для трехфазных. Также они могут отличаться по типу управления, существуют векторные и скалярные модели. Векторные применяются в тех случаях, когда необходимо жёстко регулировать частоту вращения ротора, второй тип частотников используется на объектах, где нет особой необходимости в жёстком регулировании подаваемой частоты, их можно встретить

в вентиляционных системах. Скалярный тип управления используется для однофазных систем, в свою очередь, векторная для трехфазных. Принцип регулирования частоты в обоих случаях остаётся одинаковым.

Что такое преобразователь частоты, устройство и принцип действия частотных преобразователей – ЭлКомМакс

Преобразователь частоты служит для плавного регулирования скорости асинхронного электродвигателя или синхронного двигателя за счет создания на выходе преобразователя электрического напряжения заданной частоты. В простейших случаях регулирование частоты и напряжения происходит в соответствии с заданной характеристикой V/f, в наиболее совершенных преобразователях реализовано так называемое векторное управление. Частотный преобразователь — это устройство, состоящее из выпрямителя (моста постоянного тока), преобразующего переменный ток промышленной частоты в постоянный, и инвертора (преобразователя) (иногда с ШИМ), преобразующего постоянный ток в переменный требуемых частоты и амплитуды. Выходные тиристоры (GTO) или транзисторы (IGBT) обеспечивают необходимый ток для питания электродвигателя. Для улучшения формы выходного напряжения между преобразователем и двигателем иногда ставят дроссель, а для уменьшения электромагнитных помех — EMC-фильтр.

Частотный преобразователь состоит из электрического привода и управляющей части. Электрический привод частотного преобразователя состоит из схем, в состав которых входит тиристор или транзистор, которые работают в режиме электронных ключей. В основе управляющей части находится микропроцессор, который обеспечивает управление силовыми электронными ключами, а также решение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика, защита).

В зависимости от структуры и принципа работы электрического привода выделяют два класса преобразователей частоты:

• С непосредственной связью.
• С явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.

Каждый из существующих классов преобразователей имеет свои достоинства и недостатки, которые определяют область рационального применения каждого из них.

В преобразователях с непосредственной связью электрический привод представляет собой управляемый выпрямитель. Система управления поочередно отпирает группы тиристоров и подключает статорные обмотки двигателя к питающей сети. Таким образом, выходное напряжение преобразователя формируется из участков синусоид входного напряжения. Частота выходного напряжения не может быть равна или выше частоты питающей сети. Она находится в диапазоне от 0 до 30 Гц. Как следствие — малый диапазон управления частотой вращения двигателя (не более 1 : 10). Это ограничение не позволяет применять такие преобразователи в современных частотно регулируемых приводах с широким диапазоном регулирования технологических параметров.

Использование незапираемых тиристоров требует относительно сложных систем управления, которые увеличивают стоимость преобразователя. «Резаная» синусоида на выходе преобразователя с непосредственной связью является источником высших гармоник, которые вызывают дополнительные потери в электрическом двигателе, перегрев электрической машины, снижение момента, очень сильные помехи в питающей сети. Применение компенсирующих устройств приводит к повышению стоимости, массы, габаритов, понижению КПД системы в целом.

Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых приводах находят преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока. В преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе, фильтруется фильтром, сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению КПД и к некоторому ухудшению массо-габаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.

Для формирования синусоидального переменного напряжения используют автономный инвертор, который формирует электрическое напряжение заданной формы на обмотках электродвигателя (как правило, методом широтно-импульсной модуляции). В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные модификации GCT, IGCT, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.

Главным достоинством тиристорных преобразователей частоты, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия. Они имеют более высокий КПД (до 98 %) по отношению к преобразователям на IGBT транзисторах.

Преобразователи частоты являются нелинейной нагрузкой, создающей токи высших гармоник в питающей сети, что приводит к ухудшению качества электроэнергии.

Современный частотно регулируемый электропривод состоит из асинхронного или синхронного электрического двигателя и преобразователя частоты.

Электрический двигатель преобразует электрическую энергию в механическую и приводит в движение исполнительный орган технологического механизма.

Преобразователь управляет электрическим двигателем и представляет собой электронное статическое устройство. На выходе преобразователя частоты формируется электрическое напряжение с переменными амплитудой и частотой.

Название «частотный преобразователь» обусловлено тем, что регулирование скорости вращения двигателя осуществляется изменением частоты напряжения питания, подаваемого на двигатель от преобразователя частоты.

На протяжении последних лет в отраслях мировой экономики наблюдается широкое и успешное внедрение частотно регулируемого электропривода для решения различных технологических задач. Это объясняется в первую очередь разработкой и созданием преобразователей на принципиально новой элементной базе, главным образом на биполярных транзисторах с изолированным затвором IGBT.

При выборе частотного преобразователя Вы так же можете исходить из следующих кратких рекомендаций:

• Для насосов и вентиляторов подходят преобразователи частоты с индексом F.
• Для остальных типов привода необходимо использовать частотный преобразователь с индексом A.
• Если Вы планируете управлять скоростью привода вручную, с точки зрения оператора удобнее использовать преобразователи частоты серии ES012, либо преобразователи частоты любой другой серии с внешним потенциометром.
• Если Вы планируете управлять скоростью привода автоматически по какому-либо параметру, при этом очень высокая точность регулирования не требуется (например, поддержание давления в системах подачи жидкостей) оптимальным решением будет выбор преобразователя частоты серии ES021.
• Если требуется высокоточное поддержание скорости, высокая точность управления или позиционирования, либо Вы планируете использовать частотный преобразователь в подъемных механизмах, идеальным решением будет использование преобразователей частоты серии ES024.

© 2023 ЭлКомМакс – электрощитовое оборудование

Тел.: +7 (909) 950-05-00

Анализ принципа работы преобразователя частотыEncyclopedia_Shenzhen Olen Electric Co.

, Ltd.

Обзор принципа работы:

Основная цепь представляет собой часть преобразования мощности, которая обеспечивает питание асинхронного двигателя с регулированием напряжения и частоты. Главную схему инвертора можно условно разделить на две категории: тип напряжения — это инвертор, который преобразует постоянный ток источника напряжения в переменный, а фильтр контура постоянного тока — это конденсатор. Тип тока представляет собой преобразователь частоты, который преобразует постоянный ток источника тока в переменный, а фильтр контура постоянного тока представляет собой индуктивный фильтр.

Он состоит из трех частей: «выпрямителя», который преобразует мощность промышленной частоты в мощность постоянного тока, и «выпрямителя с плоской петлей», который поглощает пульсации напряжения, создаваемые преобразователем, и инвертор использует большое количество диодных преобразователей. Источник питания промышленной частоты преобразуется в источник питания постоянного тока. Два набора транзисторных преобразователей также могут использоваться для формирования инвертора, который может регенерироваться благодаря реверсивному направлению мощности.

Сглаживающая цепь содержит пульсирующее напряжение, в 6 раз превышающее частоту источника питания, в постоянном напряжении, выпрямленном выпрямителем. Кроме того, пульсирующий ток, генерируемый инвертором, также влияет на постоянное напряжение. Для подавления колебаний напряжения используются катушки индуктивности и конденсаторы для поглощения пульсирующего напряжения (тока). Когда мощность устройства мала, если источник питания и основная цепь составляют устройство с запасом, индуктор можно не использовать и использовать простую плавноволновую схему.

Инвертор противоположен выпрямителю. Инвертор преобразует мощность постоянного тока в мощность переменного тока требуемой частоты, а также включает и выключает 6 коммутационных устройств в определенное время, чтобы получить на выходе трехфазный переменный ток. На примере ШИМ-инвертора, работающего по напряжению, показаны время переключения и форма кривой напряжения.

Цепь управления представляет собой цепь, которая подает управляющие сигналы на главную цепь, питающую асинхронный двигатель (регулируемое напряжение и частота). Он имеет «рабочую цепь» частоты и напряжения, «цепь определения напряжения и тока» главной цепи и «определение скорости» двигателя. «Схема» состоит из «схемы управления», которая усиливает управляющий сигнал арифметической схемы, и «схемы защиты» инвертора и двигателя.

(1) Схема расчета: сравнение внешней скорости, крутящего момента и других команд с сигналами тока и напряжения схемы обнаружения для определения выходного напряжения и частоты инвертора.

(2) Цепь определения напряжения и тока: Она изолирована от потенциала основной цепи для определения напряжения и тока.

(3) Цепь привода: цепь, которая управляет устройством главной цепи. Он изолирован от цепи управления, так что устройство основной цепи включается и выключается.

(4) Схема определения скорости: сигнал датчика скорости (tg, plg и т. д.), установленного на валу асинхронного двигателя, используется в качестве сигнала скорости, который отправляется в схему расчета, и двигатель может быть работал на командной скорости по команде и расчету.

(5) Цепь защиты: определение напряжения, тока и т. д. главной цепи. При возникновении перегрузки или перенапряжения, чтобы предотвратить повреждение инвертора и асинхронного двигателя.

Преобразователи и инверторы частоты – определения, свойства и различия

Преобразователи частоты и инверторы – определения, свойства и отличия

2022-12-05

• Конструкции и типы преобразователей частоты
• Применение преобразователей частоты
• Инверторы – описание и функции

• Руководство по выбору преобразователя частоты
• Преобразователи частоты – сводка
• Увлекаетесь электроникой? Посетите мероприятие Tech Master Event

Основной задачей преобразователя частоты является преобразование тока, подаваемого из сети, в однофазный или многофазный переменный ток с требуемыми параметрами. Этот процесс заключается в преобразовании напряжения, подаваемого сетью, в постоянный ток, а затем в переменное напряжение, адаптированное к конкретным требованиям. Это преобразование дает возможность регулировать напряжение и частоту по мере необходимости. Это важно, так как на каждом промышленном предприятии есть машины, которые часто выполняют очень точные задачи. Для того чтобы процесс шел в соответствии с заданными параметрами, необходимо управлять двигателями в режиме реального времени. С этой целью преобразователи частоты являются идеальным решением, позволяющим изменять крутящий момент и регулировать скорость до требуемых в настоящее время значений, сохраняя при этом постоянную силу тока.

Конструкции и типы преобразователей частоты

Типы преобразователей частоты можно разделить по следующим критериям:

1. Тип источника питания:
   • 1-фазный – питание 230 В переменного тока от одной фазы; три фазы 230 В переменного тока на выходе преобразователя частоты;
   • 3-фазный – напряжение 400 В переменного тока от трех фаз; три фазы 400 В переменного тока на выходе преобразователя частоты;
2. Использование по назначению:
   • однофазные двигатели;
   • 3-фазные двигатели;
3. Метод управления:
   • Скалярное управление – простейший метод управления преобразователями частоты. Он заключается в постоянном поддержании подходящего отношения напряжения (U) к частоте (f). Такие преобразователи частоты чаще всего используются в приложениях, не требующих особо точного регулирования скорости вращения и регулирования тока или электромагнитного момента.
   • Векторное управление – это решение обеспечивает высокоточное управление скоростью вращения двигателя за счет изменения его крутящего момента. Из-за высокой точности управления и, как следствие, более высокой цены, такие устройства используются в более требовательных приложениях.
   • Управление квадратичными характеристиками – этот тип системы управления увеличивает квадрат выходной частоты по мере увеличения выходного напряжения. Таким образом, это решение очень похоже на скалярное управление, но здесь перечисленные параметры увеличиваются пропорционально линейным, а не квадратичным образом.
   • Управление линейными характеристиками

Применение преобразователей частоты

Преобразователи частоты наиболее широко используются для регулирования рабочих параметров оборудования, будь то широкий спектр бытовых приборов или крупное промышленное оборудование. Хотя мы часто не замечаем их присутствия (поскольку они часто работают в фоновом режиме, защищенные кожухами или спрятанные в шкафах управления), они отвечают за правильную работу различных бытовых приборов, в том числе таких распространенных, как стиральные машины или вентиляторы.

Преобразователи частоты имеют особое значение на крупных производственных и промышленных предприятиях, где они управляют сложными машинами, напр. в горнодобывающей и энергетической промышленности или на стекольных и сталелитейных заводах. Примеры приложений, требующих преобразователей частоты, включают турбины, компрессоры, турбовентиляторы и насосы. Все такие компоненты поставляются с роторами, скорость вращения которых тесно связана с их эффективностью. Ленточные конвейеры, часто используемые в горнодобывающей промышленности, также являются хорошим примером. По мере увеличения скорости приводного двигателя увеличивается и скорость подачи материала. В случае угольной шахты, которая транспортирует вынутый материал непосредственно на электростанцию, эффективность транспортировки топлива тесно зависит от прямой потребности в выработке электроэнергии. Таким образом, подходящий преобразователь частоты обеспечивает наиболее удобный способ управления такими конвейерами.

Высокотехнологичные предприятия непрерывно обслуживают и производят оборудование, необходимое для деятельности компании. К ним относятся настольные сверла, станки или токарные станки. Без использования преобразователей частоты, позволяющих регулировать скорость в зависимости от текущей активности, их работа была бы неточной, а производимые детали не подходили бы для сложных промышленных применений.

Инверторы – описание и функции

Инверторы относятся к особенно популярной группе преобразователей частоты в наши дни, поскольку они используются для преобразования электроэнергии, вырабатываемой фотогальваническими установками, и для регулировки значений напряжения. Значительный спрос на такие системы привел к динамичному развитию таких трансформаторов тока и расширению ассортимента продукции, предлагаемой в этой области. В дополнение к преобразованию постоянного тока в переменный, высокоразвитые системы преобразователей частоты облегчают непрерывный мониторинг состояния установки и выработки электроэнергии, а также повышают защиту всей электрической системы от сбоев. Инверторы контролируют текущее напряжение и частоту и, если максимальное напряжение на любой фазе превышено (253 В), отключают систему от сети.

Аналогично описанному ранее оборудованию инверторы можно разделить на 1-фазные и 3-фазные устройства. Кроме того, существуют сетевые решения, работающие непосредственно с электросетью, и автономные решения, работающие полностью независимо от сети (например, для хранения энергии). Преобразователи частоты могут быть дополнительно оснащены трансформаторами.

Руководство по выбору преобразователя частоты

Принимая во внимание широкий спектр применений преобразователя частоты , правильный выбор устройства — непростая задача. Это связано с тем, что система управления приводом должна быть безотказной, работать с требуемой точностью и быть доступной по цене, которая экономически оправдана для конкретного применения. Наиболее важные функции и возможности инвертора должны быть указаны в руководстве по эксплуатации, чтобы облегчить выбор наилучшего решения.

До инверторов для PV 9Что касается установок 0104, выбор тесно связан с установленной мощностью и требуемой производительностью системы. Чтобы максимизировать выход электроэнергии, рекомендуется, чтобы преобразователь частоты был на 20 % больше установленной мощности. Это позволит компенсировать потери, связанные с чрезмерным нагревом системы. Кроме того, преобразователь частоты должен соответствовать строгим требованиям безопасности, особенно при установке на крыше жилых или общественных зданий.

Во время работы преобразователи частоты выделяют тепло, поэтому их нельзя подвергать воздействию высоких температур. Это защитит их от перегрева.

Основные параметры преобразователей частоты

1. Напряжение питания [В] ;
2. Номинальная и максимальная мощность двигателя [Вт];
3. Номинальная и максимальная скорость двигателя [об/мин];
4. Выходная частота [Гц];
5. Максимальный входной ток [А];

По мере роста ожиданий относительно точности инвертора увеличивается и количество параметров, на которые следует обращать внимание пользователю. К ним относятся, среди прочего, диапазоны заданных значений или функциональные параметры, такие как способ запуска и остановки машины или, например, функции автоматического перезапуска. В этой статье мы предоставили только подсказки относительно параметров, которые мы рекомендуем учитывать, однако окончательный выбор всегда должен основываться на потребностях конкретного приложения.

Преобразователи частоты – сводка

Существует множество указаний, подтверждающих тот факт, что преобразователи частоты необходимы как для работы бытовых приборов, так и для работы крупных промышленных предприятий. Они также являются ключевыми элементами фотогальванических установок, которые пользуются огромной популярностью и в значительной степени выгодны как с точки зрения экономии финансовых средств, так и с точки зрения защиты окружающей среды. Технологические разработки гарантируют, что эти устройства обеспечивают все более высокие уровни производительности и защиты пользователей.

Вы увлекаетесь электроникой? Посетите Tech Master Event

Если вы новичок в мире электроники, но хотите создавать свои собственные схемы, Tech Master Event — это сайт, разработанный специально для вас.