Bt-teh.ru

БТ Тех
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Преобразователи частоты

Преобразователи частоты

В данной статье мы рассмотрим что такое частотный преобразователь, сферы применения преобразователей частоты, их плюсы и минусы, а также схемы частотников.

Преобразователи частоты (или частотники) – электротехническое оборудование для регулирования частоты переменного напряжения. Основная сфера применения этих устройств – изменение частоты вращения и крутящего момента электрических машин асинхронного типа. Принцип действия управления и регулирования основан на зависимости скорости вращения магнитного поля от частоты питающего напряжения.

Асинхронные электродвигатели широко используются в качестве приводов промышленного оборудования, насосных агрегатов, регулирующей арматуры и других устройств. Основным недостатком этих электрических машин являются постоянная скорость вращения, большие пусковые токи. При помощи частотных преобразователей возможно устранить эти недостатки и существенно расширить сферу применения электродвигателей переменного тока.

Виды преобразователей частоты

Частотные преобразователи различаются по конструкции, принципу действия, способу управления. По конструктивному исполнению преобразователи частоты разделяют на две большие группы:

Электромашинные частотники.

Электромашинные или индукционные преобразователи частоты представляют собой двигатели переменного тока, включенные в режим генератора. Применяются такие электротехнические устройства относительного редко, в условиях, где затруднено или невозможно применение электронных частотных преобразователей.

Электронные преобразователи.

Полупроводниковые ЧП состоят из силовой части, выполненной на транзисторах или тиристорах, и схемы управления на базе микроконтроллеров. Это электротехническое оборудование пригодно для трехфазных и однофазных приводов любого назначения. Различают ЧП с непосредственной связью с питающей сетью и устройства с промежуточным звеном постоянного тока.

Непосредственные преобразователи частоты

Такие частотники построены на базе быстродействующих тиристорных преобразователей, включенных по мостовым, перекрестным, нулевым и встречно-параллельным схемам.

Устройства такого типа включаются непосредственно в питающую сеть.

Плюсы непосредственных преобразователей частоты:
  • Возможностью рекуперации электроэнергии в сеть при работе в режиме торможения двигателя. Непосредственное включение обеспечивает двусторонний обмен электричеством.
  • Высоким к.п.д. за счет однократного преобразования частоты.
  • Возможностью наращивания мощности за счет присоединения дополнительных преобразователей.
  • Широким диапазоном низких частот. Непосредственные преобразователи обеспечивают стабильную работу привода на малых скоростях.
Минусы непосредственных преобразователей частоты:
  • Аппроксимированная форма выходного напряжения с наличием постоянных составляющих и субгармоник. Такая форма переменного напряжения на выходе устройства вызывает дополнительный нагрев двигателя, снижает момент, создает помехи.
  • Частота напряжения на выходе преобразователя не превышает аналогичную характеристику сетевого напряжения. Таким образом, при помощи этих устройств можно только снижать скорость вращения двигателей.
  • Основная сфера непосредственных преобразователей – электроприводы на базе асинхронных и синхронных двигателей большой и средней мощности.

Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока.

Частотные преобразователи этого типа выполнены на базе схемы двойного преобразования. Питающее сетевое напряжение преобразуется в постоянное, затем сглаживается и инвертируется в переменное выходное напряжение заданной частоты.

Плюсы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:
  • Возможностью получения выходного напряжения с частотой как выше, так и ниже аналогичного параметра сети питания. Частотники на базе схемы двойного преобразования используют для высоко- средне- и низкоскоростных электроприводов.
  • Чистой синусоидальной формой напряжения на выходе. Схема преобразователя позволяет получать переменное напряжение с минимальным отклонением от синусоидальной формы.
  • Возможностью построения простых и сложных силовых и управляющих схем для приводов с различными требованиями к скорости реагирования, диапазону скоростей.
  • Возможностью адаптации к сетям постоянного тока. Преобразователи данного типа можно приспособить для питания от резервных и аварийных источников постоянного тока без дополнительных устройств. Это позволяет применять такие частотники в приводах ответственного оборудования с резервными источниками электроэнергии.
  • Разнообразием алгоритмов управления. Преобразователи со звеном постоянного тока можно запрограммировать и адаптировать практически ко всем электроприводам, в том числе и претенциозным, где требуется особо точное регулирование скорости и момента.
Минусы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:
  • Относительно большую массу и габариты, что обусловлено наличием выпрямительного, фильтрующего и инверторного блоков.
  • Повышенные потери мощности. Схема двойного преобразования несколько уменьшает общий к.п.д.

Устройство преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока

Состоят такие преобразователи из нескольких основных блоков:

  • Выпрямителя. Для ЧП используются диодные и тиристорные преобразователи постоянного тока. Первые отличаются высоким качеством постоянного напряжения практически с полным отсутствием пульсации, низкой стоимостью и надежностью. Однако диодные выпрямители не позволяют реализовать возможность рекуперации электроэнергии в сеть при торможении двигателя. Выпрямители на тиристорах обеспечивают возможность протекания тока в обоих направлениях и позволяют отключать преобразователь от сети без дополнительной коммутирующей аппаратуры.
  • Фильтра. Выходное напряжение тиристорных управляемых выпрямителей имеет значительную пульсацию. Для ее сглаживания используют реакторы, емкостные или индуктивно-емкостные фильтры.
  • Инвертора. В ЧП используют инверторы напряжения и тока. Последние обеспечивают рекуперацию электроэнергии в сеть и применяются для управления электрическими машинами с частым пуском, реверсом и остановкой, например, крановыми двигателями.
  • Частотники на базе инверторов напряжения выдают на выходе напряжение формы “чистый синус”. Благодаря этому преобразователи такого типа получили наиболее широкое распространение.
  • Микропроцессора. Этот блок осуществляет управление входным выпрямителем, прием и обработку сигналов с датчиков, взаимодействие с автоматизированной системой высшего уровня, запись и хранение информации о событиях, формирует выходное напряжения ЧП соответствующей частоты. А также выполняет функции защиты от перегрузок, обрыва фазы и других аварийных и ненормальных режимов работы.
Читать еще:  Акт регулировки температурных параметров системы гвс

Способы управления преобразователем

По принципу управления различают 2 основных вида частотных преобразователей:

ЧП со скалярным управлением

Частотники этого типа выдают на выходе напряжение определенной частоты и амплитуды для поддержания определенного магнитного потока в обмотках статора. Частотники с таким принципом регулирования отличаются относительно низкой стоимостью, простотой конструкции. Нижний предел регулировки скорости составляет около 10 % от номинальной частоты вращения. Их можно использовать для управления сразу несколькими двигателями. Скалярные ЧП используют для приводов насосных агрегатов, вентиляторов и других устройств и оборудования, где не требуется поддерживать скорость вращения ротора вне зависимости от нагрузки.

ЧП с векторным управлением

Микропроцессорные устройства преобразователей с векторным управлением автоматически вычисляют взаимодействие магнитных полей статора и ротора. ЧП такого типа обеспечивают постоянную частоту вращения ротора вне зависимости от нагрузки. Они используются для оборудования, где необходимо поддерживать необходимый момент силы при низких скоростях, высокое быстродействие и точность регулирования. Применение векторных ЧП позволяет регулировать частоту вращения, задавать требуемый момент на валу.

ЧП с векторным управлением делятся на преобразователи бездатчикового типа и устройства с обратной связью по скорости. Последние используются для приводов с широким диапазоном регулирования скорости до 1:1000, необходимости позиционирования точного положения вала, регулирования момента при низких скоростях, точного поддержания частоты вращения, пуска двигателя с номинальным моментом. Преобразователи без датчика скорости применяют для приводов с более низкими требованиями.

Режимы управления частотными преобразователями

В большинстве моделей современных частотных преобразователей реализована возможность управления в нескольких режимах:

1) Ручное управление.

2) Внешнее управление.

3) Управление по дискретным входам или “сухим контактам”.

4) Управление по событиям.

Преимущества частотных преобразователей.

1) Экономия электроэнергии.

2) Увеличение срока службы промышленного оборудования.

3) Отсутствие необходимости проводить техническое обслуживание.

4) Возможность удаленного управления и контроля параметров оборудования с электроприводом.

5) Широкий диапазон мощности двигателей.

6) Защита электродвигателя от аварий и аномальных режимов работы.

7) Снижение уровня шума работающего двигателя.

Сферы применения

Частотно-регулируемые приводы применяют:

  • Для кранов и грузоподъемных машин . Крановые двигатели работают в режиме частых пусков, остановок, изменяющейся нагрузки. ЧП обеспечивают отсутствие рывков и раскачивания груза при пусках и остановках, остановку крана точно в требуемом месте, снижают нагрев электродвигателей и максимальный пусковой момент.
  • Для привода нагнетательных вентиляторов в котельных и дымососов. Общее управление с плавной регулировкой дутьевых и вытяжных вентиляторов позволяет автоматизировать процесс горения и обеспечить максимальный к.п.д . котельных агрегатов.
  • Для транспортеров, прокатных станов, конвейеров, лифтов. ЧП регулирует скорость перемещения транспортного оборудования без рывков и ударов, что увеличивает срок службы механических узлов. Для насосных агрегатов. ЧП позволяют обойтись без задвижек и вентилей, регулирующих давление и производительность, и существенно увеличить общий к.п.д системы водоподачи.
  • Для электродвигателей станков. Использование преобразователя частоты вместо коробки передач позволяет плавно увеличивать или уменьшать частоту вращения рабочего органа станка, осуществлять реверс. ЧП широко используются для станков с ЧПУ и высокоточного промышленного оборудования.

Внедрение частотно-регулируемых приводов дает значительный экономический эффект. Снижение затрат достигается за счет сокращения потребления электроэнергии, расходов на ремонт и ТО двигателей и оборудования, возможности использования более дешевых асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, а также сокращения других производственных издержек. Средний срок окупаемости частотных преобразователей составляет от 3-х месяцев до трех лет.

Преобразователи с плавной регулировкой напряжения

Изменение мощности, подводимой к потребителям переменного тока промышленной частоты, осуществляют с помощью регулируемых преобразователей переменного напряжения (рис. 6.20, а). Преобразователь состоит из двух встречно-параллельно включенных тиристоров.

В зависимости от способа управления преобразователем (закона формирования управляющих импульсов для отпирания тиристоров) возможны два способа регулирования: широтно-импульсный и фазовый.

При широтно-импульсном регулировании на пониженной частоте оба тиристора находятся во включенном и выключенном состоянии в течение интервалов, больших, чем период частоты питающего напряжения, т. е. преобразователь работает в режиме «включено — выключено» (рис. 6.20,6).

Рис. 6.20. Регулируемый преобразователь переменного напряжения: а — схема; б — временные диаграммы при широтно-импульсном и в-д — при фазовом регулировании

При подаче управляющих импульсов на тиристоры они пропускают обе полуволны напряжения в нагрузку и выполняют роль ключа, проводящего ток в двух направлениях. При снятии управляющих импульсов с тиристоров они не включаются: ключ разомкнут, напряжение и ток в нагрузке равны нулю. При редком включении и отключении нагрузки преобразователь выполняет функцию бесконтактного пускателя для подключения различных двигателей, электротермических установок и т. д. При периодическом включении и отключении ключа появляется возможность регулирования мощности в нагрузке за счет изменения длительности включенного состояния тиристоров относительно периода повторения циклов Т: , Средняя за период Т мощность в нагрузке

где — мощность в нагрузке при отсутствии регулирования.

Подобное регулирование мощности осуществляется, например, в электрических печах, имеющих большую тепловую постоянную времени.

При фазовом регулировании изменяют фазу импульсов управления относительно момента естественного отпирания вентилей, при этом также регулируется длительность подключения нагрузки к питающей сети (рис. , но эта длительность не превышает половину периода частоты сети. Этот способ позволяет получить более плавную и быстродействующую регулировку мощности и используется в сварочных аппаратах, для регулирования освещения, управления асинхронными двигателями, регулирования напряжения на первичной стороне трансформатора в высоковольтных выпрямителях, выполненных на диодах.

Читать еще:  Как регулировать окно в игре

Рассмотрим работу преобразователя переменного напряжения с фазовым управлением при активной нагрузке (). При положительной полуволне напряжения сети вентиль V2 оказывается под обратным напряжением и пропускать ток не может. Тиристор V1 находится под прямым напряжением и отпирается в (рис. 6.20, в), при этом нагрузка подключается к сети и . Напряжение возрастает скачком, ток повторяет форму напряжения. В момент полярность напряжения сети меняется, ток спадает к нулю и тиристор V1 запирается. До отпирания V2 в момент напряжение и ток в нагрузке отсутствуют. При подаче в момент управляющего импульса на V2, он отпирается, напряжение на нагрузке вновь становится равным напряжению сети . В момент происходит запирание V2. При работе V1, V2 мощность передается из сети в нагрузку. При запертых тиристорах мощность от сети не потребляется.

Мощность в активной нагрузке можно рассчитать через действующее значение напряжения на нагрузке :

При увеличении угла управления интервал передачи мощности от сети к нагрузке уменьшается, мощность в нагрузке падает. Регулировочная характеристика преобразователя переменного напряжения приведена для активной нагрузки на рис. 6.21.

Если нагрузка активноиндуктивная (), то индуктивность нагрузки препятствует резким изменениям тока и затягивает длительность протекания тока через тиристор . На рис. 6.20, г приведены временные диаграммы напряжений и токов в преобразователе при , где .

В момент управляющий импульс подается на V1, он открывается, на нагрузке устанавливается напряжение и начинает нарастать ток нагрузки , На интервале мощность передается из сети в нагрузку и частично запасается в индуктивности. В момент напряжение сети изменяет свой знак, но индуктивность задерживает уменьшение тока и V1 остается открытым. Начиная с момента направления напряжения и тока в нагрузке противоположны (см. рис. 6.1, в), т. е. индуктивность цепи нагрузки отдает накопленную энергию. В момент энергия в индуктивности исчерпана, ток . До включения V2 следует бестоковая пауза (режим прерывистого тока). В момент управляющий импульс подается на вентиль V2, на интервале энергия снова передается из питающей сети в нагрузку.

При увеличении угла управления а интервал, на котором энергия передается в нагрузку, будет уменьшаться и действующее значение напряжения на нагрузке будет снижаться.

При уменьшении угла управления интервал, на котором в нагрузку передается энергия из сети, возрастает, при напряжение на нагрузке в течение всего периода и бестоковая пауза в нагрузке исчезает. Ток нагрузки имеет синусоидальную форму и сдвинут относительно напряжения на угол , тиристоры открыты поочередно в течение и нагрузка накоротко подключена к сети. Таким образом, в режиме непрерывного тока управляющее действие преобразователя теряется.

Рис. 6.21. Регулировочные характеристики преобразователя переменного напряжения

При дальнейшем уменьшении изменить величину и форму тока невозможно, так как в любой момент времени нагрузка связана с сетью.

Ток через V1 начинает протекать в момент , а через V2 — в момент Для нормальной работы преобразователя необходимо, чтобы в эти моменты на указанных вентилях были управляющие импульсы, которые, следовательно, должны иметь достаточную длительность. В противном случае вентиль не откроется и работа преобразователя нарушится. В процессе работы характер нагрузки изменяется, меняется и угол , поэтому для предотвращения срыва работы преобразователя при подаче импульсов управления в моменты система управления формирует длинные импульсы (см. рис. 6.20, д). Тиристоры в этом режиме включаются не в моменты подачи импульса, а в моменты перехода тока через нуль. Поэтому область углов не может быть использована для регулирования напряжения в нагрузке. Регулировочные характеристики преобразователя переменного напряжения при работе на активно-индуктивную нагрузку приведены на рис. 6.21. При работе на индуктивную нагрузку и область регулирования напряжения на нагрузке охватывает углы управления . В этом случае импульсы управления должны иметь длительности не менее .

Действующее значение напряжения на нагрузке при работе на активно-индуктивную нагрузку

Это напряжение зависит не только от напряжения сети и угла управления, но и от характера нагрузки: чем больше угол , тем больше затягивается интервал прохождения тока через тиристор К, тем большее время напряжение на нагрузке повторяет напряжение сети и тем больше . Зависимость выходного напряжения от характера нагрузки характерна для работы преобразователей в режиме прерывистого тока (см. § 6.2.2).

Для расчета параметров тиристоров, необходимых для их выбора, следует знать параметры нагрузки: наибольшие ток и напряжение. Средний ток через тиристор рассчитываем по режиму наибольшего тока через нагрузку в режиме и считаем, что имеет синусоидальную форму, тогда

Преобразователи с плавной регулировкой напряжения

Тиристорные преобразователи частоты (инверторы) представляют собой устройства, преобразующие постоянное или переменное напряжение в переменное заданной частоты. Большинство современных тиристорных инверторов позволяют осуществлять изменение частотной характеристики выходного напряжения в требуемых пределах, благодаря чему они нашли широкое применение в различных отраслях промышленности и транспорта, например, для плавной регулировки скорости вращения асинхронных электродвигателей, обеспечения необходимого режима электропитания плавильных печей и т.п. Несмотря на то, что в последнее время все большее распространение получают преобразователи частоты на IGBT, тиристорные инверторы по-прежнему доминируют там, где необходимо обеспечить большие мощности (вплоть нескольких мегаватт) с выходным напряжением в десятки киловольт. Именно то, что тиристорные преобразователи частоты имеют высокий КПД (до 98%), способны успешно справляться с большими напряжениями и токами, а также выдерживать при этом импульсные воздействия и довольно продолжительную нагрузку, является их основным достоинством. Ниже приведена блок-схема наиболее типичного современного тиристорного преобразователя с явно выраженным звеном постоянного тока.

Читать еще:  Как сделать регулировку громкости с пульта

В выпрямителе (В) входное переменное напряжение выпрямляется и поступает в фильтр (Ф), где оно сглаживается, фильтруется, после чего опять преобразуется инвертором (И) в переменное, которое может регулироваться по таким параметрам, как амплитуда и частота.

Тиристорные преобразователи имеют некоторые конструктивные особенности, которые порой затрудняют их использование и несколько ограничивают сферу применения. Прежде всего, это касается довольно сложной системы управления. Поскольку тиристор является полууправляемым прибором, то для него необходимо принудительное переключение, осуществляемое кратковременным прерыванием тока, который через него протекает. Это обычно происходит при разряде конденсатора, находящегося в анодно-катодной цепи ключа. В системах с большой мощностью нагрузки на накопительные (фильтровые) конденсаторы, стоящие в плечах ключа, очень велики. Впрочем, велики они и на демпферные конденсаторы, установленные на выходе инвертора и предохраняющие его от повреждения в момент переключения ключей. Таким образом, для нормальной и бесперебойной работы тиристорных преобразователей исключительно важна надежность тех емкостных элементов, которые в них применяются, то есть фильтровых и демпферных конденсаторов. К тому же весьма желательно, чтобы их стоимость была приемлемой, а габаритные размеры – как можно меньше. Всем этим требованиям далеко не в полной мере отвечают старые типы силовых конденсаторов, и поэтому для разработки действительно современных и надежных тиристорных инверторов им требуется замена.

Именно такие силовые конденсаторы производит завод «Нюкон». Они отличаются компактностью, высокими показателями объемной плотности энергии и, что, пожалуй, важнее всего, исключительной надежностью. Сочетание этих качеств было достигнуто за счет применения при их разработке и производстве передовых конструкторских и технологических решений. Силовые конденсаторы «Нюкон» имеют самые различные рабочие напряжения и обладают способностью к локальному самовосстановлению после пробоев с минимально возможной потерей емкости.

Поступление преобразователей Danfoss и ProFlex

Поступление преобразователей Danfoss и ProFlex

Этот вопрос задают множество людей, которым впервые понадобилось подключить трехфазный двигатель насоса или вентилятора. Конечно, любой электродвигатель можно напрямую подключить к сети переменного тока через соответствующую защитную аппаратуру (моторный автоматический выключатель или контактор с тепловым реле).

Рассмотрим процессы, происходящие в электродвигателе в момент прямого пуска с помощью автоматического выключателя или кнопки включения контактора на примере обычного трехфазного асинхронного двигателя.

На статорные обмотки электродвигателя подается переменное напряжение, которое генерирует соответствующее электромагнитное поле этих обмоток. Это поле, направленное в сторону ротора, в свою очередь заставляет генерироваться электрический ток в короткозамкнутых витках ротора. Затем ток в обмотках ротора генерирует ответное магнитное поле, которое и приводит к движению ротора относительно статора. Все эти процессы, возникающие в момент пуска, называются процессом намагничивания статора и ротора.

Трехфазный электродвигатель сам по себе не нужен: на его валу обязательно присутствует нагрузка (самая простая — в виде лопастей вентилятора). В ситуации с нагруженным конвейером всё сложнее. Тем не менее, у этой нагрузки есть момент инерции – момент, который необходимо преодолеть двигателю для запуска вращения вала. Таким образом, все эти электромагнитные и механические силы в момент пуска напрямую соотносятся с обычным пусковым током двигателя. Как несложно догадаться, этот ток будет в несколько раз (2-7) больше номинального тока двигателя, который получится в установившемся режиме работы.

Зачем нужно регулировать скорость?

Заданное в паспортной табличке число оборотов двигателя на 1 минуту не всегда устраивает потребителя. Иногда скорость механизма хочется уменьшить, а давление в трубе наоборот поднять. Возникает потребность в изменении частоты вращения вала электродвигателя. Как видно из формулы выше, наиболее простой способ изменения частоты вращения вала электродвигателя –изменить частоту переменного тока f.

Зачем нужно изменять напряжение?

Дело в том, что для поддержания определенного магнитного поля в обмотках статора требуется изменять не только частоту, но и напряжение. Получается, что частота должна соответствовать определенному напряжению. Этот называется законом скалярного управления U/f (V/f), где U или V — напряжение.

Также существует закон векторного регулирования. Векторное регулирование используется для оборудования, где требуется поддерживать необходимый крутящий момент на валу при низких скоростях электродвигателя, высокое быстродействие и точность регулирования частоты вращения. Векторное управление представляет собой математический аппарат в «мозге» частотного преобразователя, который позволяет точно определять угол поворота ротора по токам фаз двигателя.

Использование частотника позволяет убрать большой пусковой ток, достигая таким образом значительного экономического эффекта при частых пусках и остановках электродвигателя.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector