Устройство и принцип работы преобразователя частоты
Преобразователи частоты (ПЧ) или приводы переменного тока – это электронные устройства, позволяющие изменять и контролировать частотность и силу тока, подаваемого на использование в электродвигатели.
Они позволяют изменять скорость вращения мотора от очень низких до очень высоких значений, обеспечивая точное управление и экономию энергии.
Работа ПЧ реализуется в схеме двойного преобразования электричества: через выпрямитель и инвертор.
Основные части ПЧ
Выпрямитель конструируется с использованием диодов для выпрямления сигнала или, более редко, на основе схемы, объединяющей диоды и тиристоры. В данном случае рассмотрим наиболее простой вариант – диодное выпрямление.
На входе выпрямителя поступает электричество от трехфазной сети с частотой 50 Гц и напряжением 380 В. После прохождения через выпрямитель напряжение становится пульсирующим. Оно колеблется, но не с постоянной частотой. Для стабилизации сигнал поступает на звено постоянного тока, где пульсации сглаживаются. Между выпрямителем и звеном постоянного тока установлен вспомогательный компонент – резистор предзаряда.
Функция резистора предзаряда заключается в ограничении тока заряда конденсаторов в начальный момент времени с целью защиты диодов выпрямителя и электросети от сильного токового скачка. По мере зарядки конденсатора этот резистор автоматически отключается и уже не участвует в дальнейшей работе.
В состав звена постоянного тока входит группа конденсаторов с большой емкостью. Главная цель – стабилизировать пульсирование напряжение и выровнять его до постоянного значения. В оптимальных условиях, когда напряжение составляет 380 В, после сглаживания оно стабилизируется до 540 В. Если ток выше или ниже этого значения, напряжение будет пропорционально расти или снижаться.
Из чего состоит и как работает частотный преобразователь?
После прохождения через выпрямитель напряжение направляется на инвертор, который является самой важной и сложной частью частотного преобразователя. Сигнал с выхода инвертора идет непосредственно на электродвигатель. Форма напряжения на выходе инвертора представляет собой последовательность импульсов разной длительности. Это создает силовую часть частотного преобразователя.
В структуре данного устройства также присутствуют слаботочные цепи, которые обеспечивают взаимодействие всех основных компонентов преобразователя частоты. Особое внимание следует обратить на центральный процессор, который можно назвать «мозгом» преобразователя, поскольку он управляет работой инвертора и других частей устройства.
Процессор получает информацию о выходном токе от датчиков, установленных на выходных цепях преобразователя частоты. Полученный сигнал обрабатывается, и процессор формирует соответствующий управляющий алгоритм, чтобы преобразователь мог функционировать в соответствии с условиями, заданными пользователем. Для снабжения процессорной части и части, отвечающей за измерение выходного тока и напряжения на постоянном звене, присутствует отдельный источник питания. Дополнительно в структуре предусмотрены блоки драйверных микросхем, которые управляют транзисторами инверторной части, а также другие вспомогательные элементы.
Рассмотрим основные компоненты инверторной части и принцип ее устройства. В силовой части инвертора главными элементами являются IGBT-транзисторы, специально разработанные для работы в ключевом режиме. Они представляют собой гибрид полевых и биполярных транзисторов. Управляющая часть транзистора содержит изолированный затвор, как у полевого транзистора, в то время как силовая часть повторяет структуру биполярного транзистора, с коллектором и эмиттером.
Силовые компоненты производятся в форме двойного модуля, состоящего из двух последовательно включенных силовых транзисторов. Каждый из транзисторов имеет диод, который шунтирует его в обратном направлении. В связи с тем, что на выходе требуется наличие трех фаз, конструкция инвертора включает в себя три моста (см. рисунок 2).
Как работает широтно-импульсная модуляция?
Рассмотрим процесс формирования выходного напряжения с использованием метода широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Для улучшения понимания данного процесса приведем пример гидравлической модели.
Представим ряд емкостей, каждая с отверстием в нижней части. С помощью устройства, которое выдает капли воды определенного размера с постоянной частотой, начинаем заполнять эти емкости. Очевидно, что если размер капли небольшой, то уровень жидкости будет низким, а с увеличением размера капли уровень жидкости будет выше. Подбирая определенные размеры капель, можно получить график уровней (см. рисунок 3). Таким образом, мы можем изобразить статическую картину, которая помогает понять процесс превращения дискретных частей в аналоговые.
Рассмотрим процесс в динамике (рис.3.) на примере емкости и капель, которыми она заполняется: по оси x отложено время (t), по оси y – напряжение (U) или (уровень воды). Уровень жидкости напрямую зависит от размера капель: сначала он возрастает, а затем снижается. Этот процесс уже является динамическим. Проведем аналогию с электричеством.
Изображение № 4 демонстрирует эффект открытия и закрытия ключа с заданной частотностью и периодом времени. Когда импульс открытия транзистора шире, средний уровень напряжения повышается.
Ключевые понятия:
Период сигнала ШИМ – метод модуляции сигнала, при котором амплитуда сигнала остается постоянной, а длительность импульсов изменяется в зависимости от требуемого уровня сигнала. Период ШИМ определяет частоту повторения циклов и влияет на форму и качество получаемого сигнала.
Частота ШИМ-модуляции – частота, с которой происходят переключения импульсов в сигнале ШИМ. В ШИМ-модуляции амплитуда сигнала остается постоянной, а длительность импульсов изменяется.Длительность импульса (t-импульса) – обозначает время, в течение которого импульс остается в высоком состоянии (включенном состоянии), перед тем, как перейти в низкое состояние (выключенное состояние). Длительность импульса определяет, какую часть периода сигнала ШИМ составляет включенное состояние и, следовательно, уровень сигнала на выходе.
Выбор частоты
Пользователь может настраивать частоту ШИМ в диапазоне от 1 до 15 кГц. Чтобы получить сигнал, который наиболее близок к синусоидальной форме, частота ШИМ должна быть значительно выше (в 20-30 раз) максимальной желаемой выходной частоты.
Выбор частоты ШИМ может быть произволен и зависит от конкретной задачи. Однако есть несколько параметров, которые следует учесть:
· длина кабеля до двигателя;
· акустические шумы;
· максимальная выходная частота;
· тепловыделение инвертора ПЧ.
Способы снижения энергопотерь в частотном преобразовании
Существует несколько способов снижения энергопотерь в частотном преобразовании. Одним из них является использование более эффективных компонентов, таких как транзисторы с низким сопротивлением проводимости и диоды с низким уровнем обратного напряжения. Это позволяет снизить потери на сопротивлении и переключении.
Другой вариант – оптимизация алгоритмов управления и выбор оптимальных параметров преобразователя. Например, можно использовать алгоритмы модуляции с постоянной шириной импульсов (PWM) для минимизации потерь энергии.
Также использование технологии регенеративного торможения позволяет перерабатывать отрицательную энергию, которая обычно теряется в форме тепла, и использовать ее для повышения эффективности системы.
Дополнительный способ – улучшение системы охлаждения преобразователя, что помогает снизить нагрузку на компоненты и предотвратить перегрев.
Состав частотного преобразователя (75 кВт)
Типовой частотный преобразователь мощностью 75 кВт обычно состоит из следующих основных компонентов:
Выходной инвертор: ключевой элемент, который преобразует постоянное напряжение, поступающее от источника питания в переменное напряжение переменной частоты. Он состоит из полупроводниковых транзисторов (обычно IGBT или MOSFET), которые управляются управляющей схемой для создания желаемого сигнала.
Управляющая схема: отвечает за управление работы преобразователя. Она генерирует сигналы управления для инвертора, регулирует выходную частоту и напряжение в соответствии с требованиями. Может также включать различные алгоритмы и защитные функции для обеспечения надежной работы системы.
Фильтр: частотный преобразователь часто имеет встроенный фильтр для подавления шумов, которые могут быть созданы при работе преобразователя. Обычно включает пассивные элементы, такие как индуктивности и конденсаторы.
Источник питания: преобразователь требует постоянного источника питания для его работы. Обычно используется трехфазное переменное напряжение от сети питания, которое преобразуется в постоянное напряжение с помощью выпрямителя и сглаживается с помощью электролитических конденсаторов.
Система охлаждения: при работе преобразователя возникает значительное выделение тепла, поэтому в состав преобразователя входит система охлаждения, которая обеспечивает достаточное охлаждение различных компонентов, таких как транзисторы и диоды.
