Устройство и принцип работы преобразователя частоты

1. Общие сведения

Преобразователь частоты — это устройство силовой электроники, преобразующее переменный ток фиксированной частоты в переменный ток с регулируемыми частотой и напряжением. Современные преобразователи частоты в основном строятся по схеме «переменный — постоянный — переменный ток» (VVVF или векторное управление): сначала сетевое переменное напряжение выпрямляется в постоянное, а затем из постоянного напряжения формируется переменное с управляемыми частотой и напряжением для питания электродвигателя.

Силовая схема преобразователя частоты обычно состоит из четырёх частей: выпрямителя, промежуточного звена постоянного тока, инвертора и системы управления. Выпрямитель, как правило, представляет собой трёхфазный неуправляемый мост, инвертор — трёхфазный мост на IGBT, а выходной сигнал формируется методом ШИМ (PWM).

2. Схема выпрямления

1. Назначение и функции

Схема выпрямления преобразует переменный ток промышленной частоты (обычно 50 или 60 Гц) в постоянный. В общепромышленных преобразователях частоты она выполнена на трёхфазном выпрямительном мосте: сетевое напряжение выпрямляется, сглаживается в промежуточном звене постоянного тока и подаётся для питания инвертора и цепей управления.

2. Состав и типы

Наиболее распространены два типа выпрямителей: неуправляемые (на диодах) и управляемые (на тиристорах).

• Неуправляемый выпрямитель: простая конструкция, невысокая стоимость, но выходное напряжение не регулируется

• Управляемый выпрямитель: позволяет регулировать выходное напряжение изменением угла открытия тиристоров

Трёхфазное сетевое напряжение обычно подаётся на вход выпрямительного моста через цепь из конденсаторов и варисторов: она поглощает высокочастотные гармоники и импульсные перенапряжения сети, защищая преобразователь частоты от повреждений.

3. Ключевые параметры

При трёхфазном напряжении питания 380 В максимальное обратное напряжение выпрямительных элементов обычно составляет 1200–1600 В, а максимальный выпрямленный ток равен удвоенному номинальному току преобразователя частоты.

3. Промежуточное звено постоянного тока

1. Назначение и функции

Промежуточное звено постоянного тока сглаживает и накапливает постоянное напряжение, поступающее от выпрямителя. Пульсирующее выпрямленное напряжение становится стабильным и подаётся на инвертор. Это звено можно рассматривать как накопитель энергии: электродвигатель получает её через инвертор, а при замедлении или торможении энергия, возвращаемая электродвигателем, накапливается в нём.

2. Состав и типы

Промежуточное звено постоянного тока обычно состоит из сглаживающего конденсатора и дросселя. Конденсатор сглаживает пульсации постоянного напряжения, а дроссель ограничивает скорость изменения тока и повышает устойчивость цепи постоянного тока.

Промежуточное звено бывает трёх типов:

• преобразует выпрямленное напряжение в постоянный ток

• сглаживает пульсирующее постоянное напряжение и подаёт его на инвертор

• преобразует фиксированное выпрямленное постоянное напряжение в регулируемое

3. Различия между преобразователями с источником тока и источником напряжения

По способу накопления энергии в звене постоянного тока преобразователи частоты делятся на:

• с источником тока: в промежуточном звене используется мощный дроссель как накопитель, реактивная мощность буферизуется этим дросселем, а энергия рекуперации может напрямую возвращаться в сеть

• с источником напряжения: в промежуточном звене используется конденсатор большой ёмкости, он буферизует реактивную мощность нагрузки, при этом возврат реактивной энергии в сеть переменного тока затруднён

4. Схема инвертирования (инвертор)

1. Назначение и функции

Инвертор под управлением схемы управления преобразует постоянное напряжение звена постоянного тока в переменное с произвольно регулируемыми частотой и напряжением. Выход инвертора является выходом преобразователя частоты, поэтому инвертор — одна из ключевых силовых цепей, играющая первостепенную роль.

2. Состав и принцип работы

Инвертор обычно состоит из нескольких силовых электронных ключей — биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), полевых МОП-транзисторов (MOSFET) и др. Управляя включением и выключением этих ключей, постоянный ток преобразуют в переменный с требуемыми частотой и напряжением.

Наиболее распространённая схема инвертора — трёхфазный мост на шести силовых ключах (GTR, IGBT, GTO и др.). Управляя включением и выключением этих ключей в заданной последовательности, получают трёхфазное выходное напряжение любой частоты.

Схема управления на основе заданных сигналов частоты и напряжения формирует сигналы широтно-импульсной модуляции (PWM), управляющие включением и выключением ключей инвертора. Изменяя коэффициент заполнения и частоту сигналов PWM, регулируют напряжение и частоту выходного переменного тока.

3. Вспомогательные цепи

В инверторе всегда предусмотрена цепь «свободного хода» тока: при снижении частоты она обеспечивает путь для возврата энергии рекуперации асинхронного электродвигателя в звено постоянного тока. Кроме того, при одновременном включении двух ключей одного плеча моста возникает короткое замыкание и выход коммутационных элементов из строя, поэтому в общепромышленных преобразователях частоты применяются демпфирующие и другие вспомогательные цепи, гарантирующие нормальную работу и защиту ключей в аварийных ситуациях.

В преобразователях частоты малой и средней мощности силовые элементы главной цепи обычно выполняются в виде интегральных или интеллектуальных модулей: в одном корпусе объединены выпрямитель, инвертор, различные датчики, цепи защиты и схемы драйверов.

5. Схема управления

1. Назначение и функции

Схема управления — ключевая часть преобразователя частоты. Она передаёт сигналы на выпрямитель, промежуточное звено и инвертор и одновременно принимает сигналы от них. На основе внешних задающих сигналов (заданная частота, заданное напряжение и т. д.) и сигналов обратной связи (частота вращения, ток электродвигателя и т. д.) схема управления по определённому алгоритму формирует управляющие сигналы, задавая включение и выключение ключей инвертора и обеспечивая точное регулирование частоты и напряжения выходного переменного тока.

Основные задачи схемы управления — коммутация ключей инвертора, регулирование напряжения выпрямителя и реализация различных защитных функций.

2. Состав и способы управления

Схема управления обычно включает вычислительный узел, цепи измерения, цепи ввода/вывода управляющих сигналов и драйверы. Управление может быть аналоговым или цифровым. Во многих современных преобразователях частоты применяется полностью цифровое управление на базе микропроцессора: аппаратная часть максимально упрощена, а функции реализуются программно.

Наиболее распространены следующие способы управления:

• Управление V/F: одновременное регулирование частоты и напряжения преобразователя частоты

• Управление по частоте скольжения: усовершенствованный вариант управления V/F

• Векторное управление: ток статора электродвигателя переменного тока раскладывается на составляющую, создающую магнитный поток, и составляющую, создающую момент, которые регулируются раздельно; благодаря этому электродвигатель переменного тока приобретает характеристики регулирования, близкие к электродвигателю постоянного тока

• Прямое управление моментом: момент используется как непосредственно регулируемая величина; это новая технология частотного регулирования электродвигателей переменного тока, появившаяся после векторного управления

6. Заключение

Полный цикл работы преобразователя частоты можно свести к следующему:

• Выпрямление: сетевое переменное напряжение промышленной частоты поступает на преобразователь, и схема выпрямления превращает его в пульсирующее постоянное напряжение

• Обработка в промежуточном звене постоянного тока: сглаживающий конденсатор превращает пульсирующее постоянное напряжение в относительно стабильное и одновременно накапливает энергию

• Инвертирование: схема управления формирует сигналы PWM, задаёт включение и выключение ключей инвертора и преобразует постоянный ток в переменный с регулируемыми частотой и напряжением

• Регулирование скорости электродвигателя: изменение частоты выходного переменного напряжения обеспечивает точное управление частотой вращения (n = 60f/p, где f — частота питания, p — число пар полюсов электродвигателя)

Эти четыре части работают согласованно и реализуют главную функцию преобразователя частоты — преобразование сетевого напряжения промышленной частоты в переменное напряжение с регулируемыми частотой и напряжением.