Преобразователь частоты: тиристорный, высоковольтный, обзор цен

Содержание

Конструктивное исполнение

Существуют разные виды частотных преобразователей для двигателя. Но при этом конструктивно можно выделить отдельные типичные блоки. Данные компоненты тесно связаны между собой. Блок управления определяет работу выходного каскада.

Выпрямитель представляет собой первый модуль. Через него происходит движение тока. Здесь происходит изменение переменного тока. При помощи диодов он преобразуется в постоянный. Можно подобрать модели для однофазной сети или для трехфазного питания. В них будет отличаться число диодов.

Постоянное напряжение с высокими пульсациями выходит из выпрямителя. Чтобы сгладить пульсации применяются конденсатор и индуктивная катушка. А вот процесс преобразования параметров выходящего тока происходит в инверторе.

Конструктивно в нем содержатся транзисторы. Их 6 штук – по паре для каждой фазы. А микропроцессорная система гарантирует управление скоростными показателями роторного вращения. Все это можно увидеть на фото частотного преобразователя.

Промышленные частотные привода

Все промышленные частотники обеспечивают различные принципы регулирования скоростью и моментом на валу асинхронных двигателей за счет изменения не только частоты, но и сдвига фаз, времени нарастания управляющих импульсов, динамическим торможением и многими другими параметрами. При этом все это выполняется в автоматическом режиме без дополнительного участия извне. Поэтому промышленная схема частотного преобразователя для трехфазного двигателя состоит из следующих компонентов:

Центрального процессора, выполняющего роль формирователя задающих и управляющих импульсов.
Силовая часть: выпрямитель и одновременно блок управления, построенный на IGBT — модулях.
Блок ввода и вывода данных или просто интерфейс для взаимодействия с пользователем.
Преобразователь шины для работы с системой программного управления.

Трехфазный двигатель может быть оснащен датчиком, тогда требуется обратная связь. Датчик может быть оптическим, индуктивным или магнитным. В высоко оборотистых двигателях расчет скорости ведется программно на основании характеристик.

Для чего нужен преобразователь частоты?

ПЧ – самое совершенное электронное устройство, через которое можно крутить асинхронный двигатель. Вот основные функции преобразователя частоты:

Пуск/Стоп двигателя,
Плавный разгон/замедление (торможение),
Изменение рабочей скорости от 0 до 100% и выше номинала,
Защита двигателя (их несколько – по току, температуре и др.),
Реверс,
Несколько вариантов управления (дискретное, аналоговое, по программе – от кнопок, реле, потенциометров, датчиков, контроллера, и т.д.).

Преобразователь частоты имеет несколько названий, которые используются на равных условиях:

преобразователь частоты (ПЧ) – официальное название, его использует большинство производителей в своей документации,
частотный преобразователь (ЧП),
частотник – можно считать жаргоном, но в разговоре употребляется наиболее часто,
инвертор,
Inverter, Frequency Converter (FC), Variable Frequency Drive (VFD) – на английском.

Все эти названия могут использоваться в других сферах, поэтому иногда нужно уточнять. Что касается темы статьи, наша сфера – подключение преобразователя частоты для трехфазных асинхронных двигателей.

Конечно, асинхронный двигатель можно не только через ПЧ, для этого есть несколько различных устройств. По подключению двигателей у меня много статей, вот основные:

Схемы подключения трехфазного электродвигателя
Схемы подключения магнитного пускателя
Подключение двухскоростного асинхронного двигателя
Схемы подключения двигателя “Звездой” и “Треугольником”
Реле для управления двигателем по схеме “Звезда-Треугольник”
Мягкий пускатель (софтстартер) – устройство и применение
Устройство плавного пуска (УПП) электродвигателя. Пример применения
Описание работы схем на реле и контакторах

Преобразователь частоты на логических элементах

Современные асинхронные двигатели управляются весьма сложно. Дело в том, что пуск мощного асинхронного двигателя сопряжен со значительными токовыми перегрузками. Мощный вращающий момент может вывести из строя подшипники и опоры, на которых установлены двигатели.

Резкое отключение двигателя может привести к перенапряжению и к серьезным электрическим авариям. Поэтому, на сегодняшний день наиболее перспективными системами управления двигателями являются частотные преобразователи. Путь, к которому шел частотный преобразователь к цифровому варианту, довольно сложен. В современных устройствах была проблема в том, чтобы выходные каскады были мощными. Не было мощных транзисторов. Сейчас появились IGBT транзисторы или мощные транзисторы с изолированным затвором.

Рассмотрим преобразование однофазной цепи в трехфазную.

Это структурная схема простейшего преобразователя. Он состоит из генератора тактовых импульсов, частотой которого можно управлять. Собран он на простейших логических элементах. Включенных в режим логических элементов нет. Три логических элемента. Конденсатор и резистор задают постоянную величину времени, то есть, частоту выдачи импульсов. Эти импульсы поступают на счетчик Джонсона, который является и счетчиком, и дешифратором, преобразующим выходной сигнал в сигнал с одним импульсом на выходе.

Предусмотрено так, что импульсы проходят последовательно. Для того, чтобы получить трехфазную систему, десятку импульсов разделили на последовательность до шести импульсов. При этом окончание седьмого импульса завершает работу счетчика, установку его в нулевое состояние. Импульс подает команду обнуления счетчика, отсчет начинается с нуля. Выходы этих элементов, в данном случае дешифратора, присоединены к трем элементам, которые являются коммутирующими. Эти коммутирующие элементы, которые управляют работой двухтактных транзисторных включений, составляют основу выхода.

На выходе появляется напряжение с частотой, которую мы зададим на этом генераторе. Тактовые импульсы поступают на счетчик Джонсона с дешифратором, запускают логические элементы. Если будет на входе единица, которая поступает на два мощных транзистора, включенных по схеме моста, то пары транзисторов осуществляют коммутацию направления тока в обмотке двигателя вправо и влево. В результате этого с ростом регулирования частоты вращения будет плавно увеличиваться частота переключения выходного напряжения в обмотке, что приведет к росту средней частоты в двигателе и росту числа его оборотов.

Если мы рассмотрим систему как полученную трехфазную систему переменного тока, то можем получить на выходе трехфазный переменный ток. Он будет прямоугольной формы. Чтобы получить импульсы, близкие к гармоническим колебаниям, необходимо применить L или C фильтры для получения полноценного сигнала. Если мы имеем дело с постоянным током, то данный преобразователь может получить из него трехфазный переменный ток. Поэтому наш частотный преобразователь, который питается постоянным током, может работать от однофазного выпрямителя.

В мощных приводах не подходят к применению транзисторы. Поэтому вместо них используют тиристорные частотники. На малой частоте вращения труднее удерживать момент, так как приводы с жесткими характеристиками. Привод насоса происходит по системе склеивания синуса. Выходная частота меньше 50 герц.

Преобразователь частоты на логических элементах

Рассмотрим преобразование однофазной цепи в трехфазную.

Конкретные способы тиристорного управления

Представляет собой подачу положительного напряжения изменяющейся величины на Уэ. Открытие тиристора происходит, когда величины напряжения довольно, чтобы пробиться через управляющий переход тока спрямления (Iспр.). При помощи изменения величины напряжения на Уэ, появляется возможность изменения времени открытия тиристора.

Главный недочёт этого метода — сильное влияние температурного фактора. Кроме того, для каждой разновидности тиристора потребуется резистор другого вида. Этот момент не добавляет удобства в эксплуатации. Помимо этого время открытия тиристора возможно корректировать лишь пока длится первая 1/2 положительного полупериода сети.

Фазовый.

Заключается в смене фазы Uупр (в соотношении с напряжением на аноде). При этом применяется фазовращательный мост. Главный минус — малая крутизна Uупр, поэтому стабилизировать момент открытия тиристора можно лишь ненадолго.

Фазово-импульсный.

Рассчитан на преодоление недостатков фазового метода. С этой целью на Уэ подаётся импульс напряжения с крутым фронтом. Данный подход в настоящее время наиболее распространён.

Типы сварочных аппаратов

Современный рынок наполнен достаточно большим разнообразием сварочных аппаратов, но далеко не все целесообразно собирать своими руками.

В зависимости от рабочих параметров устройств различают такие виды устройств:

на переменном токе – выдающие переменное напряжение от силового трансформатора напрямую к сварочным электродам;
на постоянном токе – выдающие постоянное напряжение на выходе сварочного трансформатора;
трехфазные – подключаемые к трехфазной сети;
инверторные аппараты – выдающие импульсный ток в рабочую область.

Первый вариант сварочного агрегата наиболее простой, для второго понадобиться доработать классическое трансформаторное устройство выпрямительным блоком и сглаживающим фильтром. Трехфазные сварочные аппараты используются в промышленности, поэтому рассматривать изготовление таких устройств для бытовых нужд мы не будем. Инверторный или импульсный трансформатор довольно сложное устройство, поэтому чтобы собрать самодельный инвертор вы должны уметь читать схемы и иметь базовые навыки сборки электронных плат. Так как базой для создания сварочного оборудования является понижающий трансформатор, рассмотрим порядок изготовления от наиболее простого, к более сложному.

На переменном токе

По такому принципу работают классические сварочные аппараты: напряжение с первичной обмотки 220 В понижается до 50 – 60 В на вторичной и подается на сварочный электрод с заготовкой.

Перед тем, как приступить к изготовлению, подберите все необходимые элементы:

Магнитопровод – более выгодными считаются наборные сердечники с толщиной листа 0,35 – 0,5мм, так как они обеспечивают наименьшие потери в железе сварочного аппарата. Лучше использовать готовый сердечник из трансформаторной стали, так как плотность прилегания пластин играет основополагающую роль в работе магнитопровода.
Провод для намотки катушек – сечение проводов выбирается в зависимости от величины, протекающих в них токов.
Изоляционные материалы – основное требование, как к листовым диэлектрикам, так и к родному покрытию проводов – устойчивость к высоким температурам. Иначе изоляция сварочного полуавтомата или трансформатора расплавится и возникнет короткое замыкание, что приведет к поломке аппарата.

Наиболее выгодным вариантом является сборка агрегата из заводского трансформатора, в котором вам подходит и магнитопровод, и первичная обмотка. Но, если подходящего устройства под рукой нет, придется изготовить его самостоятельно. С принципом изготовления, определения сечения и других параметров самодельного трансформатора вы можете ознакомиться в соответствующей статье: https://www.asutpp.ru/transformator-svoimi-rukami.html.

В данном примере мы рассмотрим вариант изготовления сварочного аппарата из блока питания микроволновки. Следует отметить, что трансформаторная сварка должна обладать достаточной мощностью, для наших целей подойдет сварочный аппарат хотя бы на 4 – 5кВт. А так как один трансформатор для микроволновки имеет только 1 – 1,2 кВт, для создания аппарата мы будем использовать два трансформатора.

Функциональная схема подключения частотного преобразователя

При ее использовании получается произвести достаточно хорошую синусоидальную ШИМ с возможностью изменять напряжение. Крутим мотор-колесо коляски рукой, нажимаем кнопку «Пуск». Можно делать копии содержимого данной папки в родительской, переименовывать её и одноименные файлы с расширениями ewp, ewd, dep.
Обычный инвертор тока промежуточной цепи изменяющегося напряжения.
Способ ограничения зависит от вида модуляции. А так же функцию обработки прерывания таймера.
А так же функцию обработки прерывания таймера.
Они обеспечивают широкий диапазон регулировки частот, обладают высоким КПД и другими отличными техническими характеристиками. Справа от моста изображены операционные усилители нормирующие сигналы датчиков тока.
Преимуществом управляемых выпрямителей является их способность возвращать энергию в питающую сеть. Имеются три основных варианта задания режимов коммутации в инверторе с управлением посредством широтно-импульсной модуляции.
При этом амплитуда и частота напряжения на выходе преобразователя регулируются по скольжению и нагрузочному току, но без использования обратных связей по скорости вращения ротора.
ПОДКЛЮЧЕНИЕ ЧАСТОТНИКА к однофазному асинхронному двигателю.

Плюсы использования частотных преобразователей

Недаром человек стал активно применять частотные преобразователи на всех видах предприятий и даже в быту, потому что они намного более экономичны, чем коллекторные двигатели и могут работать в таких условиях, в которых двигатель со щетками быстро выйдет из строя. Кроме всего этого, использование частотного преобразователя дало возможность заменить механические вариаторы с приводными системами, что позволило намного упростить конструкцию оборудования. А учитывая, что ДПТ при работе практически не требует ремонт, то использование ПЧ является просто идеальным решением.

Но следует понимать, что есть пределы регулирования, при которых принцип управления асинхронным двигателем также будет изменяться:

При регулировании скорости в диапазоне 16:1 и менее, необходимо применять использовать ПЧ, работающий по вольт — частотной характеристике.
Для регулирования в диапазоне 50:1 необходимо использовать бессенсорное векторное регулирование.
В больших диапазонах следует применять обратную связь с использованием датчиков или встроенного в ПЧ пид-регулятора.

В любом случае, когда двигатель планируется применять в тяжелых условиях работы, что обычно и бывает, то лучше использовать именно векторное регулирование.

Выбор по мощности

Главный критерий выбора частотного преобразователя для электродвигателя — мощность. Частотник не должен быть менее мощным чем управляемый им двигатель. Мощнее быть может, слабее — нет. Но все не так просто, так как конкретное соотношение мощностей зависит от типа оборудования, к которому будет подключаться преобразователь. Частотный преобразователь для электродвигателя с двумя парами полюсов, должен иметь мощность:

равную двигателю, если движок работает постоянно (транспортеры);
не ниже 150% от мощности, если движок работает с перегрузкой;
не менее 120% от мощности движка для центробежных насосов и вентиляторов;
для управления моторами подъемной техники, может понадобиться двукратное превышение мощности.

При выборе стоит обратить внимание на описание ПЧ, так как производители часто нормируют нагрузки на постоянный и переменный момент. В некоторых есть отдельные линейки под работу с постоянным и переменным моментом

Например, частотные преобразователи Delta (Дельта).

Мощность и потребляемый ток — два основных критерия выбора

Кроме этого, необходимо отслеживать такие параметры:

Номинальный длительный ток преобразователя частоты должен быть не меньше рабочего потребления тока управляемого оборудования.
Если подключаться будет несколько двигателей, ток ПЧ должен быть не менее чем на 25% больше суммарно потребляемого подключенными устройствами.

Если надо обеспечить быстрый разгон устройств, лучше выбрать более мощный преобразователь — он быстрее справляется с задачей.

Принцип работы устройства

Переменный ток поступает из сети на диодный мост, где он выпрямляется и попадает на батарею сглаживающих конденсаторов, где окончательно превращается в постоянный ток, который поступает на стоки мощных IGBT транзисторов, управляемых главным контроллером. Истоки транзисторов, в свою очередь, подключены к двигателю.

Вот упрощенная схема преобразователя частоты для трехфазного асинхронного двигателя.

Теперь рассмотрим, что происходит с транзисторами и как они работают.

Полевой транзистор (он же ключ, мосфет и пр.) — это электронный выключатель, принцип его действия основан на возникновении проводимости между двумя выводами (сток и исток) мосфета, при появлении на управляющем выводе (затворе) напряжения, превышающего напряжение стока.

В отличие от обычных реле, ключи работают на очень высоких частотах (от нескольких герц до сотен килогерц) так что заменить их на реле не получится.

С помощью этих быстродействующих переключателей микроконтроллер получает возможность управления силовыми цепями.

К контроллеру, кроме мосфетов, также подключены датчики тока, органы управления частотником, и другая периферия.

При работе частотного преобразователя микроконтроллер измеряет потребляемую мощность и, в соответствии с установленными на панели управления параметрами, изменяет длительность и частоту периодов, когда транзистор открыт (включен) или закрыт (выключен), тем самым изменяя или поддерживая скорость вращения электродвигателя.

Первый запуск

Пусконаладочные работы и дополнительные настройки проводятся после проверки правильности установки и подключения (сборки) привода, контактов, изоляции проводов и т. д. Перед пробным пуском производятся следующие манипуляции:

запуск осуществляется без каких-либо команд на пульте управления;
перед нажатием RUN надо убедиться, что кулеры, установленные в шкафу с частотным преобразователем двигателя (+ монтированные в нем вентиляторы), запустились, а на дисплее загорелись индикаторы (устройство должно показать, что находится в выключенном состоянии/OFF);
для восстановления настроек завода (предписано инструкцией) необходимо ввести соответствующую команду и произвести перезапуск (RESET), если нужно (указано производителем), следует перезапустить всю систему;
если частотник не определил характеристики электрического двигателя автоматически, их надо задать (по двигателю, фильтрам вспомогательным элементам привода, скорости вращения, параметрам регулирования).

Пробный запуск привода проводится вручную. После настройки и включения проверяется направление движения вала электродвигателя, работа в интервале заданных скоростей. Если какие-то настройки заданы неверно, их правят.

Окончательная настройка осуществляется специалистом отдела автоматизации с панели управления или на самом частотнике. После этого можно запускать тестирование и проводить последние корректировки (собирать данные по работе).

На каждом этапе подключения частотного преобразователя важно строго придерживаться инструкции к нему. Все работы по установке привода проводит квалифицированный сотрудник, который знает, насколько опасно и вредно для бюджета компании-покупателя устройства (читать: категорически нельзя) вносить правки в схему или программное обеспечение электротехники

Литература

Горбачев Г. Н., Чаплыгин Е. Е. Промышленная электроника: Учебник для вузов/Под ред. В. А. Лабунцова.. — М.: Энергоатом-издат, 1988. — 320 с.

Шиллинг В. Схемы выпрямителей, инверторов и преобразователей частоты: Пер. с нем.. — Л.: Госэнерго-издат, 1950. — 464 с.

Толстов Ю.Г. Автономные инверторы тока. — М.: Изд.»Энергия», 1978. — 208 с.

Чиженко И.М. Справочник по преобразовательной технике.. — К.: Техніка, 1978. — 447 с.

Е. И. Беркович. Тиристорные преобразователи высокой частоты. — Л.: Энергия, 1973.

Alfred Mühlbauer. History of Induction Heating and Melting. — Vulkan-Verlag GmbH, 2008.

John William Motto, Jr. Introduction to Solid State Power Electronics. — Westinghouse Electric Corp., 1977.

Takesi FUJITSUKA. Analysis and Design of Parallel Inverter Circuit with Parallel Inductive Load. — Kyoto University, 1971.

Nikolay L. Hinov. Parallel Inverter Analysis Using Mathematical Software. — Bulgaria: 1000 Sofia, 2005.

Pantech ProLabs India Pvt Ltd. Introduction to Parallel Inverter (англ.) (недоступная ссылка). Дата обращения 22 сентября 2014. Архивировано 13 января 2014 года.

Выбор двигателя

Для проектирования самодельного частотника сначала стоит вспомнить, что такое асинхронный двигатель и как он работает. Несинхронный двигатель или ДПТ представляет собой механическое устройство, состоящее из статора с обмотками возбуждения и ротора. Второй компонент может быть:

короткозамкнутым, то есть средние проводники соединены по торцам кольцами, а сами они толстые и короткие, из-за чего конструкция получила название «беличье колесо»;
фазным, ротор имеет несколько обмоток, которые присоединены к токосъемным кольцам, применяемым для отвода напряжения в режиме генератора.

Принцип действия двигателя очень прост и заключается во влияние создаваемого в статоре вращающегося магнитного поля на короткозамкнутый ротор, в котором возникает ЭДС. Из-за этого в роторе начинает протекать ток, что ведет к образованию сил, взаимодействующие с магнитным полем статора. При этом частота вращения ротора и магнитного поля неравны, оттого и название асинхронный двигатель.

Разумно предположить, что если изменить частоту питающего статор напряжения, то и измениться скорость вращения ротора. На деле оно так и есть, поэтому все серьезные компании используют именно частотные преобразователи для управления такими моторами. Когда проектируется схема частотного преобразователя для электродвигателя своими руками, следует учесть тип мотора и все его характеристики. В частности, мощность, число полюсов и максимальную скорость вращения. Скачать готовые схемы можно с интернет-журнала “Радиокот”. Там их представлено очень много.

Принцип действия нагрузки. Схема 3-фазного частотника

На схеме изображена электроэнергия эксплуатации частотника. Подобную диаграмму делают для мостовой схемы. Она чаще применяется при конструировании частотника для нагрузки оборудования и станков. Напряжение фазы в схеме увеличено.

Схема с одной фазой применяется для линии питания, эксплуатации механизма с большим сопротивлением индуктивности. Она действует в интервале мощности 10 – 20 кВт, редко при значительных мощностях. Для электропечи или станка в быту применяется такую схему:

Схема цепей с тремя фазами используется для механизмов на 20 кВт, моторов синхронных, экскаваторов и кранов. Популярной схемой с несколькими фазами 6-фазная схема. Она предусматривает применение уравнителя малого потенциала и большого тока. Прибор с током проводит и изменяет электроэнергию параллельно, в отличие от многих подобных устройств. Сделать его трудно, однако надежность у него больше, чем на тиристорах с одной фазой. Этот контроллер с реверсом имеет негативную сторону – КПД у него составляет меньше 70%.

Свой тиристорный преобразователь частоты изготовить, возможно, в зависимости от основы применения. На рисунке показана схема на базе Micro-Cap 9. Основным достоинством является необходимость в нагрузке нескольких узлов совместно.