Principiul de funcționare al unui convertor de frecvență. Ce este unitatea cu frecvență variabilă

Controlul frecvenței vitezei unghiulare de rotație a unui motor electric cu un motor asincron este utilizat în prezent pe scară largă, deoarece permite modificarea fără probleme a vitezei rotorului într-o gamă largă, atât peste, cât și sub valorile nominale.

Convertizoarele de frecvență sunt dispozitive moderne, de înaltă tehnologie, cu o gamă largă de control și o gamă largă de funcții pentru controlul motoarelor asincrone. Cea mai înaltă calitate și fiabilitate fac posibilă utilizarea lor în diverse industrii pentru a controla antrenările pompelor, ventilatoarelor, transportoarelor etc.

În funcție de tensiunea de alimentare, convertoarele de frecvență sunt împărțite în monofazate și trifazate și, în funcție de proiectarea lor, în mașini electrice rotative și statice. În convertoarele de mașini electrice, frecvența variabilă se obține prin utilizarea convenționale sau speciale mașini electrice. Modificarea frecvenței curentului de alimentare se realizează prin utilizarea unor elemente electrice care nu se mișcă.

Convertizoarele de frecvență pentru rețelele monofazate fac posibilă furnizarea de acționare electrică a echipamentelor de producție cu o putere de până la 7,5 kW. O caracteristică de proiectare a convertoarelor moderne monofazate este că la intrare există o fază cu o tensiune de 220V, iar la ieșire există trei faze cu aceeași valoare a tensiunii, ceea ce vă permite să vă conectați la dispozitiv. motoare electrice trifazate fără utilizarea condensatoarelor.

Convertoare de frecvență alimentate de retea trifazata 380V sunt disponibile într-un interval de putere de la 0,75 la 630 kW. În funcție de nivelul de putere, dispozitivele sunt fabricate în carcase combinate de polimer și metal.

Cea mai populară strategie de control pentru motoarele electrice asincrone este controlul vectorial. În prezent, majoritatea convertoarelor de frecvență implementează control vectorial sau chiar control vectorial fără senzori (această tendință se regăsește la convertoarele de frecvență care implementează inițial control scalar și nu au terminale pentru conectarea unui senzor de viteză).

Pe baza tipului de sarcină la ieșire, convertizoarele de frecvență sunt împărțite după tipul de proiectare:

pentru pompe și ventilatoare;

pentru acționare electrică industrială generală;

utilizat ca parte a motoarelor electrice care funcționează cu suprasarcină.

Convertizoarele de frecvență moderne au o gamă variată de caracteristici funcționale, de exemplu, au manual și control automat viteza și sensul de rotație al motorului, precum și pe panoul de control. Echipat cu capacitatea de a regla intervalul de frecvență de ieșire de la 0 la 800 Hz.

Convertizoarele sunt capabile să controleze automat un motor asincron utilizând semnale de la senzorii periferici și să acționeze acționarea electrică în conformitate cu un algoritm de sincronizare specificat. Funcții suport recuperare automată modul de funcționare în timpul unei întreruperi de scurtă durată a alimentării. Controlați procesele tranzitorii de la o telecomandă și protejați motoarele electrice de suprasarcini.

Relația dintre viteza unghiulară de rotație și frecvența curentului de alimentare rezultă din ecuație

ω o = 2πf 1 /p

Când tensiunea sursei de alimentare U1 rămâne constantă și frecvența se modifică, fluxul magnetic al motorului asincron se modifică. Mai mult, pentru cea mai bună utilizare sistem magnetic, atunci când frecvența de alimentare scade, este necesară reducerea proporțională a tensiunii, altfel curentul de magnetizare și pierderile din oțel vor crește semnificativ.

În mod similar, atunci când frecvența de alimentare crește, tensiunea ar trebui mărită proporțional pentru a menține fluxul magnetic constant, deoarece altfel (la un cuplu constant pe arbore) aceasta va duce la o creștere a curentului rotorului, supraîncărcându-și înfășurările cu curent. , și o scădere a cuplului maxim.

Legea rațională a reglarii tensiunii depindea de natura momentului de rezistență.

La un cuplu de sarcină static constant (Mc = const), tensiunea trebuie reglată proporțional cu frecvența sa U1/f1 = const. Pentru natura ventilatoare a sarcinii, raportul ia forma U1/f 2 1 = const.

La un cuplu de sarcină invers proporțional cu viteza U1/ √ f1= const.

Figurile de mai jos prezintă o diagramă de conectare simplificată și caracteristicile mecanice ale unui motor asincron cu control al frecvenței vitezei unghiulare.

Controlul frecvenței vitezei unui motor asincron vă permite să modificați viteza unghiulară de rotație în intervalul - 20...30 până la 1. Controlul vitezei motor asincronîn jos de la principal se efectuează la aproape zero.

Când se modifică frecvența rețelei de alimentare, limita superioară a vitezei de rotație a unui motor asincron depinde de proprietățile sale mecanice, mai ales că la frecvențe peste frecvența nominală motorul asincron funcționează cu performanțe energetice mai bune decât la frecvențe mai mici. Prin urmare, dacă în sistemul de antrenare se utilizează o cutie de viteze, acest control al frecvenței motorului trebuie efectuat nu numai în jos, ci și în sus de la punctul nominal, până la frecventa maxima rotație, admisibilă în condițiile rezistenței mecanice a rotorului.

Când turația motorului crește peste valoarea specificată în pașaportul său, frecvența sursei de alimentare nu trebuie să depășească frecvența nominală de cel mult 1,5 - 2 ori.

Metoda frecvenței este cea mai promițătoare pentru reglarea unui motor asincron cu un rotor cu colivie. Pierderile de putere în acest mod de reglare sunt mici, deoarece nu sunt însoțite de o creștere. Caracteristicile mecanice rezultate sunt foarte rigide.

În prezent, motorul electric asincron a devenit dispozitivul principal în majoritatea acționărilor electrice. Din ce în ce mai mult, un invertor cu control PWM este folosit pentru a-l controla. Un astfel de management oferă o mulțime de avantaje, dar creează și unele probleme în alegerea anumitor soluții tehnice. Să încercăm să le înțelegem mai detaliat.

Dispozitiv convertor de frecvență

Dezvoltarea și producerea unei game largi de module IGBT cu tranzistori de înaltă tensiune de înaltă putere a făcut posibilă implementarea comutatoarelor de alimentare multifazate controlate direct de semnale digitale. Instrumentele de calcul programabile au făcut posibilă generarea de secvențe numerice la intrările comutatoarelor care furnizează semnale. Dezvoltarea și producția în masă a microcontrolerelor cu un singur cip cu resurse de calcul mari au făcut posibilă trecerea la servomotorizări electrice cu controlere digitale.

Convertizoarele de frecvență de putere sunt de obicei implementate conform unui circuit care conține un redresor folosind diode sau tranzistoare puternice de putere și un invertor ( comutator gestionat) pe tranzistoarele IGBT manevrate de diode (Fig. 1).

Orez. 1. Circuit convertor de frecvență

Etapa de intrare redresează tensiunea de rețea sinusoidală furnizată, care, după netezire cu ajutorul unui filtru inductiv-capacitiv, servește ca sursă de alimentare pentru invertorul controlat, care este generată la aplicarea comenzilor. control digital semnalul c, care generează curenți sinusoidali în înfășurările statorului cu parametri care asigură modul de funcționare necesar al motorului electric.

Controlul digital al convertorului de putere se realizează folosind hardware-ul microprocesorului și corespunzător sarcinilor atribuite software. dispozitiv de calcul generează semnale de control pentru 52 de module în timp real și, de asemenea, procesează semnale sisteme de măsurare, controlând funcționarea unității.

Dispozitivele de alimentare și instalațiile de calcul de control sunt combinate într-un produs industrial proiectat structural numit convertor de frecvență.

Există două tipuri principale de convertoare de frecvență utilizate în echipamentele industriale:

convertoare de marcă pentru tipuri specifice echipamente.

Convertizoarele de frecvență universale sunt proiectate pentru controlul multifuncțional al funcționării IM în moduri specificate de utilizator.

Instalarea și controlul modurilor de funcționare ale convertizorului de frecvență se poate face folosind un panou de control dotat cu un ecran pentru afișarea informațiilor introduse. Într-o versiune simplă de control al frecvenței scalare, puteți utiliza un set de simple funcții logice, disponibil în setările din fabrică ale controlerului și un controler PID încorporat.

Pentru a implementa moduri de control mai complexe folosind semnale de la senzorii de feedback, este necesar să se dezvolte o structură ACS și un algoritm, care ar trebui programate folosind un computer extern conectat.

Majoritatea producătorilor produc o gamă de convertoare de frecvență care diferă în ceea ce privește intrarea și ieșirea caracteristici electrice, putere, proiectași alți parametri. Pentru a se conecta la echipamente externe (sursa de alimentare, motor), suplimentar elemente exterioare: demaroare magnetice, transformatoare, bobine.

Tipuri de semnale de control

Este necesar să se facă distincția între diferitele tipuri de semnale și să se folosească un cablu separat pentru fiecare dintre ele. Diferite tipuri de semnale se pot influența reciproc. În practică, o astfel de separare apare adesea, de exemplu, cablul de la poate fi conectat direct la convertizorul de frecvență.

Orez. 2. Exemplu de conectare a circuitelor de putere și a circuitelor de control ale unui convertor de frecvență

Puteți selecta următoarele tipuri semnale:

analog - semnale de tensiune sau curent (0...10 V, 0/4...20 mA), a căror valoare se modifică lent sau rar, de obicei acestea sunt semnale de control sau de măsurare;

semnale discrete tensiune sau curent (0...10 V, 0/4...20 mA), care poate lua doar două valori care se schimbă rar (înaltă sau scăzută);

digitale (date) - semnale de tensiune (0...5 V, 0...10 V), care se schimbă rapid și cu frecvență înaltă, de obicei acestea sunt semnale de la porturile RS232, RS485 etc.;

releu - contactele releului (0...220 V AC) pot activa curenți inductivi în funcție de sarcina conectată (relee externe, lămpi, supape, frâne etc.).

Selectarea puterii convertizorului de frecvență

Atunci când alegeți puterea unui convertor de frecvență, este necesar să o bazați nu numai pe puterea motorului electric, ci și pe curenții și tensiunile nominale ale convertorului și ale motorului. Faptul este că puterea indicată a convertizorului de frecvență se aplică numai funcționării acestuia cu un motor electric asincron cu 4 poli standard în aplicațiile standard.

Unitățile reale au multe aspecte care pot determina creșterea sarcinii curente a unității, de exemplu în timpul pornirii. În general, aplicarea unitatea de frecvență vă permite să reduceți sarcinile curente și mecanice datorită pornirii ușoare. De exemplu, curentul de pornire este redus de la 600% la 100-150% din valoarea nominală.

Funcționarea conducerii la viteză redusă

Trebuie reținut că, deși convertizorul de frecvență asigură cu ușurință un control al vitezei de 10:1, atunci când motorul funcționează la turații mici, puterea propriului ventilator poate să nu fie suficientă. Este necesar să se monitorizeze temperatura motorului și să se asigure ventilație forțată.

Compatibilitate electromagnetică

De când convertizorul de frecvență sursă puternică armonici de înaltă frecvență, atunci trebuie utilizat un cablu ecranat de lungime minimă pentru conectarea motoarelor. Un astfel de cablu trebuie așezat la o distanță de cel puțin 100 mm față de alte cabluri. Acest lucru minimizează interferența. Dacă trebuie să traversați cablurile, trecerea se face la un unghi de 90 de grade.

Putere de la generatorul de urgență

Pornirea soft, care este furnizată de convertizorul de frecvență, vă permite să reduceți puterea necesară generator Deoarece cu o astfel de pornire curentul este redus de 4-6 ori, puterea generatorului poate fi redusă de un număr similar de ori. Dar, totuși, trebuie instalat un contactor între generator și convertizor, controlat de la ieșirea releului a convertizorului de frecvență. Acest lucru protejează convertizorul de frecvență de supratensiuni periculoase.

Alimentarea unui convertor trifazat dintr-o rețea monofazată

Convertizoarele de frecvență trifazate pot fi alimentate de la o rețea monofazată, dar curentul lor de ieșire nu trebuie să depășească 50% din curentul nominal.

Economisirea de energie și bani

Economiile apar din mai multe motive. În primul rând, datorită creșterii la valori de 0,98, adică puterea maximă este utilizată pentru a efectua muncă utilă, minimul intră în pierderi. În al doilea rând, se obține un coeficient apropiat de acesta în toate modurile de funcționare a motorului.

Fără un convertor de frecvență, motoarele asincrone la sarcini mici au un cosinus phi de 0,3-0,4. În al treilea rând, nu este nevoie de ajustări mecanice suplimentare (clapete, clapete, supape, frâne etc.), totul se face electronic. Cu un astfel de dispozitiv de control, economiile pot ajunge la 50%.

Sincronizați mai multe dispozitive

Datorită intrărilor de control suplimentare ale convertizorului de frecvență, este posibil să se sincronizeze procesele pe transportor sau să se stabilească raportul modificărilor în anumite cantități în funcție de altele. De exemplu, faceți ca viteza de rotație a axului mașinii să depindă de viteza de avans a frezei. Procesul va fi optimizat deoarece când sarcina asupra frezei crește, avansul va fi redus și invers.

Protecția rețelei de armonici superioare

Pentru o protecție suplimentară, în plus față de cablurile scurte ecranate, sunt utilizate șocuri de linie și condensatoare de șunt. , în plus, limitează supratensiunea curentă atunci când este pornit.

Alegerea clasei de protecție potrivite

Pentru o funcționare fără probleme a unui convertizor de frecvență, este necesar un radiator de încredere. Dacă utilizați clase de protecție înalte, de exemplu IP 54 și mai mari, atunci este dificil sau costisitor să obțineți o astfel de disipare a căldurii. Prin urmare, puteți utiliza un dulap separat cu clasa inalta protecție, unde să se instaleze module cu o clasă inferioară și să asigure ventilație și răcire generală.

Conectarea în paralel a motoarelor electrice la un convertor de frecvență

Pentru a reduce costurile, un singur convertor de frecvență poate fi utilizat pentru a controla mai multe motoare electrice. Puterea sa trebuie selectată cu o marjă de 10-15% din puterea totală a tuturor motoarelor electrice. În acest caz, este necesar să se minimizeze lungimea cablurilor motorului și este foarte recomandabil să se instaleze o clapetă a motorului.

Majoritatea convertizoarelor de frecvență nu permit ca motoarele să fie deconectate sau conectate folosind contactoare în timp ce convertizorul de frecvență funcționează. Acest lucru se poate face numai prin comanda de oprire a conducerii.

Setarea funcției de control

Pentru a obține indicatori de performanță maximă a acționării electrice, cum ar fi: factor de putere, coeficient acțiune utilă, capacitate de suprasarcină, netezime de reglare, durabilitate, trebuie să alegeți corect relația dintre modificarea frecvenței de funcționare și tensiune la ieșirea convertizorului de frecvență.

Funcția de schimbare a tensiunii depinde de natura cuplului de sarcină. La cuplu constant, tensiunea pe statorul motorului electric trebuie reglată proporțional cu frecvența (reglarea scalară U/F = const). Pentru un ventilator, de exemplu, un alt raport este U/F*F = const. Dacă creștem frecvența de 2 ori, atunci tensiunea trebuie crescută cu 4 (reglare vectorială). Există unități cu mai multe funcții complexe regulament.

Avantajele utilizării unei acționări electrice reglabile cu un convertor de frecvență

Pe lângă creșterea eficienței și economisirea energiei, o astfel de acționare electrică vă permite să obțineți noi calități de control. Acest lucru se exprimă în refuzul suplimentar dispozitive mecanice, creând pierderi și reducând fiabilitatea sistemelor: frâne, amortizoare, clapete, supape, supape de control etc. Frânarea, de exemplu, poate fi realizată prin rotirea inversă a câmpului electromagnetic în statorul motorului electric. Doar schimbare dependenta functionalaîntre frecvență și tensiune, obținem o unitate diferită fără a schimba nimic în mecanică.

Citirea documentației

Trebuie remarcat faptul că, deși convertoarele de frecvență sunt similare între ele și având stăpânit pe unul, este ușor de înțeles pe celălalt, cu toate acestea, este necesar să citiți cu atenție documentația. Unii producători impun restricții privind utilizarea produselor lor, iar dacă acestea sunt încălcate, vor scoate produsul din garanție.

Variator de frecvență (variable requency drive, VFD) este un sistem de control al vitezei rotorului a unui motor electric asincron (sincron). Este format din motorul electric în sine și un convertor de frecvență.

Un convertor de frecvență (convertor de frecvență) este un dispozitiv format dintr-un redresor (punte DC), transformând curentul alternativ al frecvenței industriale în curent continuu și un invertor (convertor) (uneori cu PWM), transformând curentul continuu în curent alternativ cu frecvența și amplitudinea necesare. Tiristoarele de ieșire (GTO) sau IGBT furnizează curentul necesar pentru alimentarea motorului. Pentru a evita supraîncărcarea convertorului atunci când alimentatorul este lung, între convertizor și alimentator sunt instalate șocuri și pentru a reduce interferențele electromagnetice, este instalat un filtru EMC. Cu control scalar, se formează curenți armonici ai fazelor motorului. Control vectorial- o metodă de control al motoarelor sincrone și asincrone, care nu numai că generează curenți (tensiuni) armonici ai fazelor, dar asigură și controlul fluxului magnetic al rotorului (cuplul pe arborele motorului).

Aplicarea convertizorului de frecvență

Convertizoarele de frecvență sunt utilizate în:

acționare electrică a navei putere mare
laminoare ( lucru sincron cuști)
acționare de mare viteză a pompelor turbomoleculare de vid (până la 100.000 rpm)
sisteme de transport
mașini de tăiat
Mașini CNC - sincronizarea mișcării mai multor axe simultan (până la 32 - de exemplu în echipamente de imprimare sau ambalare) (servomotor)
deschiderea automată a ușilor
mixere, pompe, ventilatoare, compresoare
aparate de aer condiționat de uz casnic
masini de spalat rufe
transport electric urban, în special troleibuze.

Cel mai mare efect economic vine din utilizarea VFD-urilor în sistemele de ventilație, aer condiționat și de alimentare cu apă, unde utilizarea VFD-urilor a devenit practic un standard.

Avantajele utilizării VFD

Precizie ridicată de control
Economii de energie în cazul sarcinii variabile (adică funcționarea motorului electric cu sarcină parțială).
Egal cu cuplul maxim de pornire.
Posibilitatea de diagnosticare la distanță a unității prin intermediul unei rețele industriale
- detectarea defecțiunii de fază pentru circuitele de intrare și ieșire
- înregistrarea orei motorului
- îmbătrânirea condensatoarelor din circuitul principal
- defecțiune a ventilatorului
Durată de viață crescută a echipamentului
Rezistența hidraulică redusă a conductei datorită absenței unei supape de control
Pornire lină a motorului, care reduce semnificativ uzura motorului
Un VFD conține de obicei un controler PID și poate fi conectat direct la un senzor al variabilei controlate (de exemplu, presiune).
Frânare controlată și repornire automată în caz de defecțiune tensiunea de rețea
Ridicarea unui motor electric rotativ
Stabilizarea vitezei de rotație la schimbarea sarcinii
Reducere semnificativă a zgomotului acustic al motorului electric (folosind funcția Soft PWM)
Economii suplimentare de energie din optimizarea excitației electrice. motor
Vă permite să înlocuiți un întrerupător

Dezavantajele utilizării unui convertizor de frecvență

Majoritatea modelelor VFD sunt o sursă de zgomot (necesită instalarea de filtre de interferență de înaltă frecvență)
Cost relativ ridicat pentru VFD de mare putere (rambursare minim 1-2 ani)

Aplicarea convertoarelor de frecvență la stațiile de pompare

Metoda clasică de control al alimentării unităților de pompare implică reglarea liniilor de presiune și reglarea numărului de unități de funcționare în funcție de un parametru tehnic (de exemplu, presiunea în conductă). În acest caz, unitățile de pompare sunt selectate pe baza anumitor caracteristici de proiectare (de obicei cu o rezervă de performanță) și funcționează constant la o viteză constantă, fără a ține cont de costurile modificate cauzate de consumul variabil de apă. La debit minim, pompele continuă să funcționeze cu o viteză constantă, creând un exces de presiune în rețea (cauza accidentelor), în timp ce se irosește o cantitate semnificativă de energie electrică. Acest lucru, de exemplu, se întâmplă noaptea, când consumul de apă scade brusc. Efectul principal este obținut nu prin economisirea energiei, ci prin reducerea semnificativă a costului reparației rețelelor de alimentare cu apă.

Apariția unei acționări electrice reglabile a făcut posibilă menținerea presiunii constante direct la consumator. Acționările electrice cu frecvență variabilă cu motoare electrice asincrone pentru scopuri industriale generale sunt utilizate pe scară largă în practica mondială. Ca urmare a adaptării generale industriale motoare asincrone Pentru a-și îndeplini condițiile de funcționare în acționări electrice controlate, sunt create motoare asincrone reglabile speciale cu indicatori de energie și greutate-mărime-cost mai mari în comparație cu cele neadaptate. Controlul frecvenței vitezei de rotație a arborelui unui motor asincron se realizează folosind dispozitiv electronic, care se numește de obicei un convertor de frecvență. Efectul de mai sus este obținut prin modificarea frecvenței și amplitudinii tensiunii trifazate furnizate motorului electric. Astfel, prin modificarea parametrilor tensiunii de alimentare (controlul frecvenței), puteți face ca viteza de rotație a motorului să fie atât mai mică, cât și mai mare decât cea nominală. În a doua zonă (frecvență peste valoarea nominală), cuplul maxim pe arbore este invers proporțional cu viteza de rotație.

Metoda de conversie a frecvenței se bazează pe următorul principiu. De obicei, frecvența rețelei industriale este de 50 Hz. De exemplu, să luăm o pompă cu un motor electric cu doi poli. Ținând cont de alunecare, viteza de rotație a motorului este de aproximativ 2800 (în funcție de putere) de rotații pe minut și conferă puterii unității de pompare presiunea nominală și performanța (deoarece aceștia sunt parametrii săi nominali, conform pașaportului). Dacă utilizați un convertor de frecvență pentru a reduce frecvența și amplitudinea tensiunii alternative furnizate acestuia, viteza de rotație a motorului va scădea în mod corespunzător și, în consecință, performanța unității de pompare se va modifica. Informațiile despre presiunea din rețea intră în unitatea convertorului de frecvență de la un senzor de presiune special instalat la consumator, pe baza acestor date, convertizorul modifică în consecință frecvența furnizată motorului;

Convertorul de frecvență modern are un design compact, carcasă rezistentă la praf și umiditate, interfață ușor de utilizat, ceea ce îi permite să fie folosit cel mai mult conditii dificileși medii provocatoare. Gama de putere este foarte largă și variază de la 0,18 la 630 kW sau mai mult la mâncare standard 220/380 V și 50-60 Hz. Practica arată că utilizarea convertoarelor de frecvență la stațiile de pompare permite:

economisiți energie (cu modificări semnificative ale consumului) prin reglarea puterii motorului electric în funcție de consumul real de apă (efect de economisire de 20-50%);
reducerea consumului de apă prin reducerea scurgerilor la depășirea presiunii din conducta principală, când consumul de apă este de fapt mic (cu o medie de 5%);
reducerea costurilor (efectul economic principal) prin reparații de urgență echipamente (întreaga infrastructură de alimentare cu apă datorită reducerii drastice a numărului de situații de urgență cauzate, în special, de lovirea de berbec, care se întâmplă adesea atunci când se utilizează o acționare electrică nereglementată (s-a dovedit că durata de viață a echipamentului crește de cel puțin 1,5 ori);
realizarea anumitor economii de căldură în sistemele de alimentare cu apă caldă prin reducerea pierderilor de apă caldura;
crește presiunea peste normal dacă este necesar;
automatizează complet sistemul de alimentare cu apă, reducând astfel salariile personalului de serviciu și de serviciu și eliminând influența „factorului uman” asupra funcționării sistemului, care este, de asemenea, importantă.

Conform datelor disponibile, perioada de rambursare pentru implementarea convertoarelor de frecvență este de la 3 luni la 2 ani.

Pierderea de putere la frânarea unui motor electric

În multe instalații, o acționare electrică reglabilă are sarcina nu numai să regleze fără probleme cuplul și viteza de rotație a motorului electric, ci și sarcina de a încetini și frâna elementele instalației. Soluția clasică la această problemă este un sistem de acționare cu un motor asincron cu un convertor de frecvență echipat cu un comutator de frână cu o rezistență de frânare.

În același timp, în modul decelerare/frânare, motorul electric funcționează ca un generator, transformând energia mecanică în energie electrică, care este disipată în final de rezistența de frânare. Instalațiile tipice în care ciclurile de accelerare alternează cu ciclurile de decelerare sunt tracțiunea vehiculelor electrice, palanele, ascensoarele, centrifugele, mașinile de bobinat etc. Funcția de frânare electrică a apărut pentru prima dată pe o unitate de curent continuu (de exemplu, un troleibuz). La sfârșitul secolului XX au apărut convertizoarele de frecvență cu recuperator încorporat, care permit ca energia primită de la motorul care funcționează în regim de frânare să fie returnată înapoi în rețea. În acest caz, instalația începe să „face bani” aproape imediat după punere în funcțiune.

Principiul de funcționare al convertizorului de frecvență

Descriere:

Un convertor de frecvență combinat cu un motor electric asincron vă permite să înlocuiți o unitate electrică de curent continuu. Sistemele de control al vitezei motorului de curent continuu sunt destul de simple, dar punct slab O astfel de acționare electrică este un motor electric. Este scump și nesigur. În timpul funcționării, periile fac scântei, sub influența electricității, colectorul se uzează Motorul electric nu poate fi utilizat într-un mediu cu praf și explozie.

Motoarele electrice asincrone sunt superioare motoarelor de curent continuu din multe puncte de vedere: sunt simple ca design și fiabile, deoarece nu au contacte mobile. Au dimensiuni, greutate și cost mai mici în comparație cu motoarele de curent continuu pentru aceeași putere. Motoarele asincrone sunt ușor de fabricat și de operat.

Principalul dezavantaj al motoarelor electrice asincrone este dificultatea de a le regla viteza metode tradiționale(prin modificarea tensiunii de alimentare, introducerea unor rezistențe suplimentare în circuitul de înfășurare).

Controlul unui motor electric asincron în modul de frecvență a fost o mare problemă până de curând, deși teoria controlului frecvenței a fost dezvoltată încă din anii treizeci. Dezvoltarea variatoarelor de frecvență a fost împiedicată de costul ridicat al convertoarelor de frecvență. Apariția circuitelor de putere cu tranzistoare IGBT, dezvoltarea de înaltă performanță sisteme cu microprocesoare controlul a permis diverselor companii din Europa, SUA și Japonia să creeze convertoare de frecvență moderne la un preț accesibil.

Se știe că reglarea vitezei de rotație a actuatoarelor poate fi efectuată folosind diverse dispozitive: variatoare mecanice, cuplaje hidraulice, rezistențe introduse suplimentar în stator sau rotor, convertoare electromecanice de frecvență, convertoare statice frecvente.

Utilizarea primelor patru dispozitive nu asigură un control al vitezei de înaltă calitate, non-economic, necesită costuri mari de instalare și exploatare.
Convertizoarele de frecvență statice sunt cele mai avansate dispozitive de control acționare asincronă în prezent.

Principiul metodei frecvenței de control al vitezei unui motor asincron este acela prin modificarea frecvenței f1 tensiune de alimentare, este posibil în conformitate cu expresia

fără a modifica numărul de perechi de poli p, modificați viteza unghiulară a câmpului magnetic al statorului.

Această metodă oferă un control fluid al vitezei pe o gamă largă, iar caracteristicile mecanice sunt foarte rigide.

Reglarea vitezei nu este însoțită de o creștere a alunecării motorului asincron, astfel încât pierderile de putere în timpul reglării sunt mici.

Pentru a obține o performanță energetică ridicată a unui motor asincron - factori de putere, eficiență, capacitate de suprasarcină - este necesară modificarea tensiunii de intrare simultan cu frecvența.

Legea modificării tensiunii depinde de natura cuplului de sarcină Domnișoară. La cuplu de sarcină constant Mc=const Tensiunea statorului trebuie reglată proporțional cu frecvența :

Pentru natura ventilatorului cuplului de sarcină, această stare are forma:

Cu un cuplu de sarcină invers proporțional cu viteza:

Astfel, pentru o reglare fără trepte a vitezei arborelui unui motor electric asincron, convertizorul de frecvență trebuie să asigure reglarea simultană a frecvenței și tensiunii pe statorul motorului asincron.

Avantajele utilizării acționării electrice reglabile în procesele tehnologice

Utilizarea unui antrenament electric controlat asigura economisirea energiei si permite obtinerea de noi calitati de sisteme si obiecte. Economii semnificative de energie se realizează prin reglarea oricărui parametru tehnologic. Dacă este un transportor sau un transportor, atunci puteți regla viteza de mișcare a acestuia. Dacă este o pompă sau un ventilator, puteți menține presiunea sau reglați performanța.

Dacă aceasta este o mașină unealtă, atunci puteți regla ușor viteza de avans sau mișcarea principală.

Un efect economic deosebit al utilizării convertizoarelor de frecvență vine din utilizarea reglării frecvenței la instalațiile care transportă lichide. Până acum, cea mai obișnuită modalitate de a regla performanța unor astfel de obiecte este utilizarea supapelor cu poartă sau supapelor de control, dar astăzi devine disponibil controlul frecvenței unui motor asincron, de exemplu, rotorul unei unități de pompare sau ventilator.

Promisiunea reglării frecvenței este clar vizibilă din figura 1

Astfel, la stropit, fluxul unei substanțe reținut de o poartă sau supapă nu face nicio lucrare utilă. Utilizarea unei acționări electrice reglabile a unei pompe sau ventilatoare vă permite să setați presiunea sau debitul necesar, ceea ce nu numai că va economisi energie, dar va reduce și pierderile de substanță transportată.

Structura convertorului de frecvență

Majoritatea convertoarelor de frecvență moderne sunt construite folosind o schemă de conversie dublă. Acestea constau din următoarele părți principale: un curent continuu (redresor necontrolat), un invertor de impuls de putere și un sistem de control.

Invertorul de impulsuri trifazate este format din șase comutatoare cu tranzistori. Fiecare înfășurare a motorului electric este conectată printr-un comutator corespunzător la bornele pozitive și negative ale redresorului. Invertorul convertește tensiunea redresată în trifazat tensiune alternativă frecvența și amplitudinea necesare, care se aplică înfășurărilor statorice ale motorului electric.

În etapele de ieșire ale invertorului, tranzistoarele IGBT de putere sunt utilizate ca întrerupătoare. În comparație cu tiristoarele, acestea au o frecvență de comutare mai mare, ceea ce le permite să producă un semnal de ieșire sinusoidal cu o distorsiune minimă.

Principiul de funcționare al convertizorului de frecvență

Convertorul de frecvență este alcătuit dintr-un redresor de putere cu diodă necontrolat B, un invertor autonom, un sistem de control PWM, un sistem de control automat, o bobine L și un condensator de filtru C (Fig. 2). Reglarea frecvenței de ieșire fout.

iar tensiunea Uout este efectuată în invertor datorită controlului lățimii impulsului de înaltă frecvență.

Controlul lățimii impulsului este caracterizat printr-o perioadă de modulație, în care înfășurarea statorului a motorului electric este conectată alternativ la polii pozitivi și negativi ai redresorului. Durata acestor stări în perioada PWM este modulată conform unei legi sinusoidale. La mare (de obicei 2...15 kHz) vitezele ceasului

PWM, în înfășurările motorului electric, datorită proprietăților lor de filtrare, curg curenți sinusoidali.

Reglarea vitezei nu este însoțită de o creștere a alunecării motorului asincron, astfel încât pierderile de putere în timpul reglării sunt mici. Pentru a obține o performanță energetică ridicată a unui motor asincron - factori de putere, eficiență, capacitate de suprasarcină - este necesară modificarea tensiunii de intrare simultan cu frecvența.

Structura convertorului de frecvență Cele mai moderne convertoare de frecvenţă construit folosind o schemă de conversie dublă. Tensiunea sinusoidală de intrare cu amplitudine și frecvență constante este redresată în circuitul DC B, netezită de un filtru format dintr-o bobine Lв și condensatorul de filtru Cv și apoi convertit din nou de către invertor AIN în tensiune alternativă de frecvență și amplitudine variabile. Reglarea frecvenței de ieșire. iar tensiunea Uout este efectuată în invertor datorită controlului lățimii impulsului de înaltă frecvență. Controlul lățimii impulsului este caracterizat printr-o perioadă de modulație, în care înfășurarea statorului a motorului electric este conectată alternativ la polii pozitivi și negativi ai redresorului.

Durata de conectare a fiecărei înfășurări în perioada de repetare a impulsului este modulată conform unei legi sinusoidale. Cea mai mare lățime a impulsului este furnizată la mijlocul semiciclului și scade spre începutul și sfârșitul semiciclului. Astfel, sistemul de control al sistemului de control asigură modularea lățimii impulsului (PWM) a tensiunii aplicate înfășurărilor motorului. Amplitudinea și frecvența tensiunii sunt determinate de parametrii funcției sinusoidale de modulare. Astfel, la ieșirea convertizorului de frecvență se formează o tensiune alternativă trifazată de frecvență și amplitudine variabile.

Ne bucurăm mereu să ne vedem vechii parteneri și așteptăm cu nerăbdare alții noi.

Livrare în toate regiunile Rusiei!

Convertoare de frecvență

De la sfârșitul anilor 1960, convertoarele de frecvență s-au schimbat dramatic, în mare parte ca urmare a dezvoltării tehnologiilor cu microprocesoare și semiconductori și a costurilor în scădere.

Cu toate acestea, principiile fundamentale inerente convertizoarelor de frecvență rămân aceleași.

Convertizoarele de frecvență includ patru elemente principale:

Orez. 1. Schema bloc a convertizorului de frecvență

1. Redresorul generează o tensiune DC pulsatorie atunci când este conectat la o sursă de curent alternativ mono/trifazată. Există două tipuri principale de redresoare - controlate și necontrolate.

2. Un circuit intermediar de unul dintre cele trei tipuri:

a) transformarea tensiunii redresorului în curent continuu.

b) stabilizarea sau netezirea tensiunii DC pulsatoare și alimentarea invertorului.

c) transformarea tensiunii continue constante a redresorului într-o tensiune alternativă în schimbare.

3. Un invertor care generează frecvența de tensiune a motorului electric. Unele invertoare pot, de asemenea, converti tensiunea continuă constantă în tensiune alternativă variabilă.

4. Circuit electronic de control, care trimite semnale către redresor, circuit intermediar și invertor și primește semnale de la aceste elemente. Construcția elementelor controlate depinde de proiectarea convertorului de frecvență specific (vezi Fig. 2.02).

Comun tuturor convertoarelor de frecvență este faptul că toate circuitele de control controlează elementele semiconductoare ale invertorului. Convertizoarele de frecvență diferă în modul de comutare utilizat pentru reglarea tensiunii de alimentare a motorului.

În fig. 2, care prezintă diferitele principii de construcție/control al convertorului, se folosesc următoarele notații:

1- redresor controlat,

2- redresor necontrolat,

3- circuit intermediar de curent continuu variabil,

4- circuit intermediar tensiune constantă DC

5- circuit intermediar de curent continuu variabil,

6- invertor cu modulație de amplitudine a impulsurilor (PAM)

7- invertor cu modulație pe lățime a impulsurilor (PWM)

Invertor de curent (IT) (1+3+6)

Convertor cu modulație de amplitudine a impulsurilor (PAM) (1+4+7) (2+5+7)

Convertor de modulare a lățimii de impuls (PWM/VVCplus) (2+4+7)

Orez. 2. Principii diverse construirea/controlul convertoarelor de frecvenţă

Pentru completare, trebuie menționate convertoarele directe care nu au circuit intermediar. Astfel de convertoare sunt utilizate în gama de putere megawați pentru a genera tensiune de alimentare de joasă frecvență direct din rețeaua de 50 Hz, în timp ce frecvența lor maximă de ieșire este de aproximativ 30 Hz.

Redresor

Tensiunea de alimentare a rețelei este o tensiune AC trifazată sau monofazată cu o frecvență fixă (de exemplu, 3x400 V/50 Hz sau 1 x 240 V/50 Hz); Caracteristicile acestor tensiuni sunt ilustrate în figura de mai jos.

Orez. 3. Tensiune AC monofazată și trifazată

În figură, toate cele trei faze sunt deplasate în timp, tensiunea de fază își schimbă constant direcția, iar frecvența indică numărul de perioade pe secundă. O frecvență de 50 Hz înseamnă că există 50 de perioade pe secundă (50 x T), adică. o perioadă durează 20 de milisecunde.

Redresorul convertizorului de frecvență este construit fie pe diode, fie pe tiristoare, fie pe o combinație a ambelor. Un redresor construit pe diode este necontrolat, în timp ce un redresor construit pe tiristoare este controlat. Dacă sunt utilizate atât diode, cât și tiristoare, redresorul este semicontrolat.

Redresoare necontrolate

Orez. 4. Modul de funcționare a diodei.

Diodele permit curentului să circule într-o singură direcție: de la anod (A) la catod (K). Așa cum este cazul altora dispozitive semiconductoare, curentul diodei nu poate fi reglat. Tensiunea AC este convertită de diodă într-o tensiune DC pulsatorie. Dacă un redresor trifazat necontrolat este alimentat de o tensiune AC trifazată, atunci în acest caz tensiunea DC va pulsa.

Orez. 5. Redresor necontrolat

În fig. Figura 5 prezintă un redresor trifazat necontrolat care conține două grupuri de diode. Un grup este format din diode D1, D3 și D5. Celălalt grup este format din diode D2, D4 și D6. Fiecare diodă conduce curentul pentru o treime din timpul perioadei (120°). În ambele grupuri, diodele conduc curentul în o anumită secvență. Perioadele în care ambele grupuri lucrează sunt deplasate una de cealaltă cu 1/6 din timpul perioadei T (60°).

Diodele D1,3,5 sunt deschise (conductoare) atunci când li se aplică o tensiune pozitivă. Dacă tensiunea fazei L atinge o valoare de vârf pozitivă, atunci dioda D este deschisă și borna A primește tensiunea fazei L1. Celelalte două diode vor acționa tensiuni inverse valorile U L1-2 și U L1-3

Același lucru se întâmplă și în grupul de diode D2,4,6. În acest caz, borna B primește tensiune de fază negativă. Dacă în în acest moment faza L3 atinge valoarea maximă negativă, dioda D6 este deschisă (conductoare). Celelalte ambele diode sunt afectate de tensiuni inverse de mărime U L3-1 și U L3-2

Tensiunea de ieșire a redresorului necontrolat este egală cu diferența de tensiuni a acestor două grupuri de diode. Valoarea medie a tensiunii continue de ondulare este de 1,35 x tensiunea rețelei.

Orez. 6. Tensiunea de ieșire a redresorului trifazat necontrolat

Redresoare controlate

În redresoarele controlate, diodele sunt înlocuite cu tiristoare. La fel ca o diodă, un tiristor trece curentul într-o singură direcție - de la anod (A) la catod (K). Cu toate acestea, spre deosebire de diodă, tiristorul are un al treilea electrod numit „obturator” (G). Pentru ca tiristorul să se deschidă, trebuie aplicat un semnal pe poartă. Dacă curentul trece prin tiristor, tiristorul îl va trece până când curentul devine egal cu zero.

Curentul nu poate fi întrerupt prin aplicarea unui semnal la poartă. Tiristoarele sunt utilizate atât în redresoare, cât și în invertoare.

Un semnal de control a este furnizat porții tiristorului, care este caracterizat printr-o întârziere exprimată în grade. Aceste grade provoacă o întârziere între momentul în care tensiunea trece de zero și momentul în care tiristorul este deschis.

Orez. 7. Mod de operare tiristor

Dacă unghiul a este în intervalul de la 0 ° la 90 °, atunci circuitul tiristor este utilizat ca redresor, iar dacă este în intervalul de la 90 ° la 300 °, atunci ca un invertor.

Orez. 8. Redresor trifazat controlat

Un redresor controlat nu este practic diferit de un redresor necontrolat, cu excepția faptului că tiristorul este controlat de semnalul a și începe să conducă din momentul în care o diodă convențională începe să conducă până în momentul în care este cu 30 ° mai târziu decât punctul în care tensiunea trece cu zero.

Ajustarea valorii a vă permite să modificați mărimea tensiunii redresate. Redresorul controlat generează o tensiune constantă, a cărei valoare medie este de 1,35 x tensiune de rețea x cos α

Orez. 9. Tensiunea de ieșire a redresorului trifazat controlat

În comparație cu un redresor necontrolat, unul controlat are pierderi mai semnificative și introduce zgomot mai mare în rețeaua de alimentare, deoarece cu un timp de transmisie mai scurt al tiristoarelor, redresorul preia mai mult din rețea. curent reactiv.

Avantajul redresoarelor controlate este capacitatea lor de a returna energie la rețeaua de alimentare.

Lanț intermediar

Circuitul intermediar poate fi gândit ca o instalație de stocare din care motorul electric poate extrage energie printr-un invertor. În funcție de redresor și invertor, sunt posibile trei principii pentru construirea unui circuit intermediar.

Invertoare - surse de curent (1-convertoare)

Orez. 10. Circuit intermediar DC variabil

În cazul invertoarelor - surse de curent, circuitul intermediar conține o bobină de inductanță mare și este interfațat doar cu un redresor controlat. Inductorul transformă tensiunea variabilă a redresorului într-un curent continuu variabil. Tensiunea motorului electric este determinată de sarcină.

Invertoare - surse de tensiune (convertoare U)

Orez. 11. Circuitul intermediar de tensiune DC

În cazul invertoarelor - surse de tensiune, circuitul intermediar este un filtru care conține un condensator și poate fi asociat cu un redresor de oricare dintre cele două tipuri. Filtrul netezește tensiunea DC pulsatorie (U21) a redresorului.

În redresorul controlat, tensiunea la această frecvență este furnizată în mod constant invertorului ca o tensiune constantă reală (U22) cu amplitudine variabilă.

La redresoarele necontrolate, tensiunea la intrarea invertorului este o tensiune constantă cu o amplitudine neschimbată.

Circuit intermediar de tensiune continuă variabilă

Orez. 12. Circuit intermediar cu tensiune variabilă

În circuitele intermediare cu tensiune DC variată, puteți porni un întrerupător în fața filtrului, așa cum se arată în Fig. 12.

Chopperul conține un tranzistor care acționează ca un comutator, pornind și oprind tensiunea redresorului. Sistemul de control controlează chopperul comparând tensiunea de schimbare după filtru (U v) cu semnalul de intrare. Dacă există o diferență, raportul este ajustat schimbând timpul în care tranzistorul este pornit și timpul în care este oprit. Aceasta modifică valoarea efectivă și mărimea tensiunii constante, care pot fi exprimate prin formula

U v = U x t activat / (t activat + t oprit)

Când tranzistorul chopper deschide circuitul de curent, inductorul filtrului face ca tensiunea pe tranzistor să fie infinit de mare. Pentru a evita acest lucru, întrerupătorul este protejat de o diodă cu comutare rapidă. Când tranzistorul se deschide și se închide așa cum se arată în Fig. 13, tensiunea va fi cea mai mare în modul 2.

Orez. 13. Tranzistorul chopper controlează tensiunea circuitului intermediar

Filtrul circuitului intermediar netezește tensiunea undei pătrate după tocător. Condensatorul și inductorul filtrului mențin o tensiune constantă la o frecvență dată.

În funcție de proiectare, poate funcționa și circuitul intermediar caracteristici suplimentare, care includ:

Izolarea redresorului de invertor

Reducere armonică

Stocarea energiei pentru a limita supratensiunile intermitente de sarcină.

Invertor

Invertorul este ultima verigă din convertizorul de frecvență înaintea motorului electric și locul unde are loc adaptarea finală a tensiunii de ieșire.

Convertorul de frecvență asigură condiții normale de funcționare pe întregul domeniu de control prin adaptarea tensiunii de ieșire la condiția de sarcină. Acest lucru vă permite să mențineți magnetizarea optimă a motorului.

Din circuitul intermediar invertorul primește

curent continuu variabil,

Tensiune DC variabilă sau

Tensiune continuă constantă.

Datorită invertorului, în fiecare dintre aceste cazuri este furnizată motorului electric o cantitate în schimbare. Cu alte cuvinte, invertorul creează întotdeauna frecvența dorită a tensiunii furnizate motorului electric. Dacă curentul sau tensiunea este variabilă, invertorul produce doar frecvența dorită. Dacă tensiunea este constantă, invertorul creează atât frecvența dorită, cât și tensiunea dorită pentru motor.

Chiar dacă invertoarele funcționează în moduri diferite, structura lor de bază este întotdeauna aceeași. Elementele principale ale invertoarelor sunt dispozitivele semiconductoare controlate, conectate în perechi în trei ramuri.

În prezent, tiristoarele sunt în cele mai multe cazuri înlocuite cu tranzistoare de înaltă frecvență, care sunt capabile să se deschidă și să se închidă foarte repede. Frecvența de comutare variază de obicei între 300 Hz și 20 kHz și depinde de dispozitivele semiconductoare utilizate.

Dispozitivele semiconductoare din invertor sunt deschise și închise de semnalele generate de circuitul de comandă. Semnalele pot fi generate în mai multe moduri diferite.

Orez. 14. Invertor de curent de circuit intermediar cu tensiune variabilă convențională.

Invertoarele convenționale, care comută în principal curentul circuitului intermediar de tensiune variabilă, conțin șase tiristoare și șase condensatoare.

Condensatorii permit tiristoarelor să se deschidă și să se închidă în așa fel încât curentul din înfășurările de fază să fie deplasat cu 120 de grade și să fie adaptat la dimensiunea motorului electric. Când curentul este aplicat periodic la bornele motorului în secvența U-V, V-W, W-U, U-V..., apare un câmp magnetic rotativ intermitent cu frecvența necesară. Chiar dacă curentul motorului are o formă aproape dreptunghiulară, tensiunea motorului va fi aproape sinusoidală. Cu toate acestea, atunci când curentul este pornit sau oprit, apar întotdeauna supratensiuni.

Condensatorii sunt separați de curentul de sarcină al motorului electric prin diode.

Orez. 15. Invertor pentru tensiunea variabilă sau constantă a circuitului intermediar și dependența curentului de ieșire de frecvența de comutare a invertorului

Invertoarele cu tensiune variabilă sau constantă a circuitului intermediar conțin șase elemente de comutareși indiferent de tipul de dispozitive semiconductoare folosite, acestea funcționează aproape la fel. Circuitul de control deschide și închide dispozitivele semiconductoare folosind mai multe metode diferite de modulare, modificând astfel frecvența de ieșire a convertorului de frecvență.

Prima metodă este de a varia tensiunea sau curentul în circuitul intermediar.

Intervalele în care dispozitivele semiconductoare individuale sunt deschise sunt aranjate într-o secvență utilizată pentru a obține frecvența de ieșire necesară.

Această secvență de comutare a semiconductorilor este controlată de mărimea tensiunii sau curentului variabil al circuitului intermediar. Datorită utilizării unui oscilator, controlat de tensiune, frecvența urmărește întotdeauna amplitudinea tensiunii. Acest tip de control al invertorului se numește modulare în amplitudine a impulsurilor (PAM).

Pentru o tensiune fixă a circuitului intermediar, se utilizează o metodă de bază diferită. Tensiunea motorului devine variabilă prin aplicarea tensiunii circuitului intermediar la înfășurările motorului pentru perioade mai lungi sau mai scurte de timp.

Orez. 16 Modularea amplitudinii și duratei pulsului

Frecvența este modificată prin modificarea impulsurilor de tensiune de-a lungul axei timpului - pozitiv în timpul unui semiciclu și negativ în timpul celuilalt.

Deoarece această metodă modifică durata (lățimea) impulsurilor de tensiune, se numește modulare pe lățime a impulsurilor (PWM). Modulația PWM (și metodele conexe, cum ar fi PWM controlat cu undă sinusoidală) este cea mai comună metodă de control al invertorului.

În modulația PWM, circuitul de control determină când dispozitivele semiconductoare comută la intersecția unei tensiuni de rampă și a unei tensiuni de referință sinusoidală suprapusă (PWM controlat sinusoid). Alte metode promițătoare de modulare PWM sunt metodele de modulare a lățimii pulsului modificate, cum ar fi WC și WC plus, dezvoltate de Danfoss Corporation.

Tranzistoare

Deoarece tranzistoarele pot comuta la viteze mari, interferența electromagnetică care apare atunci când motorul este „pulsat” (magnetizat) este redusă.

Un alt avantaj al frecvenței mari de comutare este flexibilitatea modulării tensiunii de ieșire a convertizorului de frecvență, care permite generarea de curent sinusoidal al motorului, în timp ce circuitul de control trebuie pur și simplu să pornească și să oprească tranzistoarele invertorului.

Frecvența de comutare a invertorului este o „sabie cu două tăișuri”, deoarece frecvente inalte poate duce la încălzirea motorului electric și la apariția unor tensiuni de vârf mari. Cu cât frecvența de comutare este mai mare, cu atât pierderile sunt mai mari.

Pe de altă parte, frecvența de comutare scăzută poate duce la un zgomot acustic ridicat.

Tranzistoarele de înaltă frecvență pot fi împărțite în trei grupuri principale:

Tranzistoare bipolare(LTR)

MOSFET-uri unipolare (MOS-FET)

Tranzistoare bipolare cu poartă izolată (IGBT)

În prezent, IGBT-urile sunt cele mai utilizate tranzistoare deoarece combină proprietățile de control ale tranzistoarelor MOS-FET cu proprietățile de ieșire ale tranzistoarelor LTR; În plus, au un interval de putere adecvat, o conductivitate adecvată și o frecvență de comutare, ceea ce face controlul semnificativ mai ușor convertoare moderne frecvente.

Cu IGBT-urile, atât elementele invertorului, cât și comenzile invertorului sunt plasate într-un modul turnat numit „modul inteligent de putere” (IPM).

Modularea amplitudinii pulsului (PAM)

Modulația de amplitudine a impulsurilor este utilizată pentru convertoarele de frecvență cu tensiune variabilă în circuitul intermediar.

În convertizoarele de frecvență cu redresoare necontrolate, amplitudinea tensiunii de ieșire este generată de întrerupătorul intermediar, iar dacă redresorul este controlat, amplitudinea se obține direct.

Orez. 20. Formarea tensiunii în convertizoarele de frecvență cu întrerupător în circuitul intermediar

Tranzistorul (chopper) din fig. 20 este deblocat sau blocat de un circuit de control și reglare. Timpii de comutare depind de valoarea nominală (semnal de intrare) și de semnalul de tensiune măsurat (valoarea reală). Valoarea reală este măsurată la condensator.

Inductorul și condensatorul acționează ca un filtru care netezește ondulația de tensiune. Vârful de tensiune depinde de momentul în care tranzistorul este pornit și, dacă valorile nominale și reale diferă una de cealaltă, chopperul funcționează până la atingerea nivelului de tensiune necesar.

Reglarea frecventei

Frecvența tensiunii de ieșire este variată de invertor în timpul unei perioade, iar dispozitivele de comutare semiconductoare sunt operate de mai multe ori pe parcursul unei perioade.

Durata perioadei poate fi ajustată în două moduri:

1.direct prin semnal de intrare sau

2.folosind o tensiune constantă variabilă, care este proporțională semnal de intrare.

Orez. 21a. Controlul frecvenței folosind tensiunea circuitului intermediar

Modularea lățimii impulsului este cea mai comună metodă de generare a tensiunii trifazate cu frecvența corespunzătoare.

Cu modulația pe lățime a impulsului, formarea tensiunii totale a circuitului intermediar (≈ √2 x U rețea) este determinată de durata și frecvența de comutare a elementelor de putere. Rata de repetiție a impulsurilor PWM între momentele de pornire și oprire este variabilă și permite reglarea tensiunii.

Există trei opțiuni principale pentru setarea modurilor de comutare într-un invertor controlat prin modularea lățimii impulsului.

1. PWM controlat sinusoidal

2. PWM sincron

3. PWM asincron

Fiecare picior al unui invertor PWM trifazat poate avea două stări diferite (pornit și oprit).

Cele trei comutatoare formează opt combinații posibile de comutare (2 3) și, prin urmare, opt vectori de tensiune digitale la ieșirea invertorului sau la înfășurarea statorului a motorului electric conectat. După cum se arată în Fig. 21b, acești vectori 100, 110, 010, 011, 001, 101 sunt localizați la colțurile hexagonului circumscris, folosind vectorii 000 și 111 ca vectori zero.

În cazul combinațiilor de comutare 000 și 111, același potențial este creat la toate cele trei bornele de ieșire ale invertorului - fie pozitiv, fie negativ față de circuitul intermediar (vezi Fig. 21c). Pentru un motor electric aceasta înseamnă un efect apropiat de scurtcircuitarea bornelor; tensiunea O V se aplică și înfășurărilor motorului electric.

PWM controlat cu undă sinusoidală

PWM controlat cu undă sinusoidală utilizează o tensiune de referință sinusoidală (Us) pentru a controla fiecare ieșire a invertorului. Durata perioadei de tensiune sinusoidală corespunde frecvenței fundamentale dorite a tensiunii de ieșire. La cele trei tensiuni de referință se aplică o tensiune dinți de ferăstrău (U D), vezi fig. 22.

Orez. 22. Principiul de funcționare al PWM controlat sinusoid (cu două tensiuni de referință)

Când tensiunea de rampă și tensiunile de referință sinusoidale se intersectează, semiconductorii invertorului fie se deschid, fie se închid.

Intersecțiile sunt determinate elemente electronice placi de control. Dacă tensiunea de rampă este mai mare decât tensiunea sinusoidală, atunci pe măsură ce tensiunea de rampă scade, impulsurile de ieșire se schimbă de la pozitiv la negativ (sau de la negativ la pozitiv), astfel încât tensiune de ieșire convertizorul de frecvență este determinat de tensiunea circuitului intermediar.

Tensiunea de ieșire este variată de raportul dintre durata stărilor deschis și închis, iar acest raport poate fi modificat pentru a obține tensiunea necesară. Astfel, amplitudinea impulsurilor de tensiune negative și pozitive corespunde întotdeauna la jumătate din tensiunea circuitului intermediar.

Orez. 23. Tensiunea de ieșire a PWM controlat sinusoidal

La frecvențe joase ale statorului, timpul în stare închisă crește și poate fi atât de lung încât devine imposibilă menținerea frecvenței tensiunii de rampă.

Aceasta crește perioada de lipsă de tensiune și motorul va funcționa neuniform. Pentru a evita acest lucru, la frecvențe joase puteți dubla frecvența tensiunii de rampă.

Tensiunea de fază la bornele de ieșire ale convertizorului de frecvență corespunde cu jumătate din tensiunea circuitului intermediar împărțit la √ 2, adică. egal cu jumătate din tensiunea de alimentare. Tensiunea de linie la bornele de ieșire este √ de 3 ori tensiunea de fază, adică egală cu tensiunea de alimentare înmulțită cu 0,866.

Un invertor controlat PWM care funcționează exclusiv cu modularea tensiunii de referință a undei sinusoidale poate furniza o tensiune egală cu 86,6% din tensiunea nominală (vezi Figura 23).

Când utilizați modulația cu undă sinusoidală pură, tensiunea de ieșire a convertizorului de frecvență nu poate atinge tensiunea motorului, deoarece tensiunea de ieșire va fi, de asemenea, cu 13% mai mică.

Cu toate acestea, tensiunea suplimentară necesară poate fi obținută prin reducerea numărului de impulsuri atunci când frecvența depășește aproximativ 45 Hz, dar această metodă are unele dezavantaje. În special, provoacă o schimbare treptată a tensiunii, ceea ce duce la funcționarea instabilă a motorului electric. Dacă numărul de impulsuri scade, armonicile superioare la ieșirea convertizorului de frecvență cresc, ceea ce crește pierderile în motorul electric.

O altă modalitate de a rezolva această problemă implică utilizarea altor tensiuni de referință în loc de trei sinusoidale. Aceste tensiuni pot fi de orice formă (de exemplu, trapezoidală sau în trepte).

De exemplu, o referință de tensiune comună folosește a treia armonică a unei tensiuni de referință sinusoidale. Este posibil să se obțină un astfel de mod de comutare pentru dispozitivele semiconductoare ale invertorului, care va crește tensiunea de ieșire a convertizorului de frecvență, prin creșterea amplitudinii tensiunii de referință sinusoidale cu 15,5% și adăugarea unei a treia armonice la aceasta.

PWM sincron

Principala dificultate în utilizarea metodei PWM controlată sinusoidal este necesitatea de a determina valori optime timpul de comutare şi unghiul pentru tensiune în timpul perioada specificata. Acesti timpi de comutare trebuie setati astfel incat sa permita doar un minim de armonici superioare. Acest mod de comutare este menținut numai pentru un interval de frecvență dat (limitat). Operarea în afara acestui interval necesită utilizarea unei metode diferite de comutare.

PWM asincron

Necesitatea orientării în câmp și a capacității de răspuns a sistemului în ceea ce privește controlul cuplului și al vitezei de acţionare trifazată AC (inclusiv servo-uri) necesită schimbări în trepte ale amplitudinii și unghiului tensiunii invertorului. Utilizarea modului de comutare PWM „normal” sau sincron nu permite modificări treptate ale amplitudinii și unghiului tensiunii invertorului.

O modalitate de a îndeplini această cerință este PWM asincron, care în loc să sincronizeze modularea tensiunii de ieșire cu frecvența de ieșire, așa cum se face de obicei pentru a reduce armonicile într-un motor electric, modulează bucla de control a tensiunii vectoriale, rezultând o cuplare sincronă cu frecvența de ieșire.

Există două opțiuni principale pentru PWM asincron:

SFAVM (Stator Flow-oriented Asynchronous Vector Modulation = (modulație vectorială sincronă orientată la fluxul magnetic al statorului)

60° AVM (Asynchronous Vector Modulation = modulație vectorială asincronă).

SFAVM este o metodă de modulație vectorială spațială care permite la întâmplare, dar schimbați brusc tensiunea, amplitudinea și unghiul invertorului în timpul de comutare. Acest lucru obține proprietăți dinamice crescute.

Scopul principal al utilizării unei astfel de modulații este de a optimiza fluxul magnetic al statorului utilizând tensiunea statorului în timp ce se reduce ondulația cuplului, deoarece abaterea unghiului depinde de secvența de comutare și poate provoca o creștere a ondulației cuplului. Prin urmare, secvența de comutație trebuie calculată în așa fel încât să minimizeze abaterea unghiului vectorial. Comutarea între vectorii de tensiune se bazează pe calcularea căii dorite a fluxului magnetic în statorul motorului, care la rândul său determină cuplul.

Dezavantajul sistemelor de putere PWM anterioare convenționale au fost abaterile în amplitudinea vectorului fluxului magnetic al statorului și a unghiului fluxului magnetic. Aceste abateri au afectat negativ câmpul de rotație (cuplul) din spațiul de aer al motorului electric și au cauzat pulsația cuplului. Influența abaterii amplitudinii U este neglijabilă și poate fi redusă și mai mult prin creșterea frecvenței de comutare.

Generarea tensiunii motorului

Loc de muncă stabil corespunde reglarii vectorului de tensiune al mașinii U wt astfel încât să descrie un cerc (vezi Fig. 24).

Vectorul de tensiune este caracterizat de mărimea tensiunii motorului electric și a vitezei de rotație, care corespunde frecvenței de funcționare la momentul considerat. Tensiunea motorului este generată prin crearea unor valori medii folosind impulsuri scurte de la vectorii adiacenți.

Metoda SFAVM, dezvoltată de Danfoss Corporation, are, printre altele, următoarele proprietăți:

Vectorul de tensiune poate fi ajustat în amplitudine și fază, fără a devia de la setarea setată.

Secvența de comutare începe întotdeauna cu 000 sau 111. Acest lucru permite vectorului de tensiune să aibă trei moduri de comutare.

Valoarea medie a vectorului de tensiune se obține folosind impulsuri scurte ale vectorilor vecini, precum și vectorii zero 000 și 111.

Circuit de control

Circuitul de control sau placa de control - a patra elementul principal convertizor de frecvență, care este conceput pentru a rezolva patru probleme importante:

Controlul elementelor semiconductoare ale unui convertor de frecvență.

Schimb de date între convertoare de frecvență și dispozitive periferice.

Colectarea datelor și generarea de mesaje de eroare.

Efectuarea funcțiilor de protecție pentru convertizorul de frecvență și motorul electric.

Microprocesoarele au crescut viteza circuitului de control, au extins semnificativ gama de aplicații ale unităților și au redus numărul de calcule necesare.

Microprocesorul este încorporat în convertorul de frecvență și este întotdeauna capabil să determine combinația optimă de impulsuri pentru fiecare condiție de funcționare.

Circuit de control pentru convertizorul de frecvență AIM

Orez. 25 Principiul de funcționare al unui circuit de comandă pentru un circuit intermediar controlat de un întrerupător.

În fig. Figura 25 prezintă un convertor de frecvență cu control AIM și un întrerupător intermediar. Circuitul de control controlează convertorul (2) și invertorul (3).

Controlul se realizează pe baza valorii instantanee a tensiunii circuitului intermediar.

Tensiunea circuitului intermediar conduce un circuit care acționează ca un contor de adrese în memoria de stocare a datelor. Memoria stochează secvențele de ieșire pentru combinația de impulsuri invertorului. Când tensiunea circuitului intermediar crește, numărarea are loc mai rapid, secvența se termină mai devreme și frecvența de ieșire crește.

Pentru controlul chopperului, tensiunea circuitului intermediar este mai întâi comparată cu valoarea nominală a semnalului de tensiune de referință. Se așteaptă ca acest semnal de tensiune să dea valorile corecte ale tensiunii și frecvenței de ieșire. Dacă semnalul de referință și semnalul circuitului intermediar sunt modificate, controlerul PI informează circuitul că timpul ciclului trebuie schimbat. Aceasta face ca tensiunea circuitului intermediar să fie reglată în funcție de semnalul de referință.

O metodă comună de modulare pentru controlul unui convertor de putere este modularea în amplitudine a impulsurilor (PAM). Modularea lățimii impulsului (PWM) este o metodă mai modernă.

Control pe câmp (control vectorial)

Controlul vectorial poate fi organizat în mai multe moduri. Principala diferență dintre metode este criteriile care sunt utilizate în calcularea valorilor curentului activ, curentului de magnetizare (flux magnetic) și cuplului.

Când se compară motoarele de curent continuu și motoarele asincrone trifazate (Fig. 26), sunt relevate anumite probleme. La curent continuu, parametrii importanți pentru producerea cuplului - fluxul magnetic (F) și curentul de armătură - sunt fixați în raport cu dimensiunea și locația fazei și sunt determinați de orientarea înfășurărilor de câmp și de poziția carbonului. perii (Fig. 26a).

Într-un motor de curent continuu, curentul de armătură și curentul care creează fluxul magnetic sunt situate în unghi drept unul față de celălalt, iar valorile lor nu sunt foarte mari. Într-un motor electric asincron, poziția fluxului magnetic (F) și a curentului rotorului (I) depinde de sarcină. În plus, spre deosebire de un motor de curent continuu, unghiurile de fază și curentul nu pot fi determinate direct din dimensiunea statorului.

Orez. 26. Comparație între mașină DC și mașină asincronă AC

Cu toate acestea, cu ajutorul model matematic Cuplul poate fi calculat din relația dintre fluxul magnetic și curentul statorului.

Din curentul statoric măsurat (l s), se extrage o componentă (l w), care creează un cuplu cu flux magnetic (Ф) în unghi drept între aceste două variabile (l in). Aceasta creează fluxul magnetic al motorului electric (Fig. 27).

Orez. 27. Calculul componentelor curente pentru reglarea câmpului

Cu aceste două componente de curent, cuplul și fluxul magnetic pot fi influențate independent. Cu toate acestea, din cauza anumitor complexități a calculelor bazate pe modelul dinamic al unui motor electric, astfel de calcule sunt rentabile doar în drive-urile digitale.

Deoarece controlul câmpului, care este independent de sarcină, este separat de controlul cuplului în această metodă, este posibil să se controleze dinamic un motor cu inducție în același mod ca un motor DC - cu condiția ca semnalul să fie disponibil. feedback. Această metodă de control al unui motor AC trifazat are următoarele avantaje:

Răspuns bun la modificările de încărcare

Control precis al puterii

Cuplu maxim la viteza zero

Caracteristicile de performanță sunt comparabile cu cele ale unităților de curent continuu.

Reglarea caracteristicilor V/f și a vectorului fluxului magnetic

ÎN ultimii ani sisteme de control al vitezei dezvoltate motoare trifazate AC bazat pe două principii diferite controale:

control V/f normal, sau control SCALAR și control vectorial al fluxului magnetic.

Ambele metode au propriile avantaje, în funcție de cerințele specifice de performanță (dinamică) și precizie a conducerii.

Controlul V/f are un domeniu limitat de control al vitezei (aproximativ 1:20), iar la viteză mică este necesar un alt principiu de control (compensare). Folosind această metodă, este relativ ușor să adaptați convertizorul de frecvență la motor, iar controlul este imun la modificările instantanee ale sarcinii pe întregul interval de viteză.

În convertizorul de frecvență controlat de flux, convertizorul de frecvență trebuie configurat cu precizie pentru motor, ceea ce necesită cunoașterea detaliată a parametrilor acestuia. De asemenea, necesar componente suplimentare pentru a primi un semnal de feedback.

Câteva avantaje ale acestui tip de control:

Răspuns rapid la schimbările de viteză și gamă largă viteze

Răspuns dinamic mai bun la schimbările de direcție

Un principiu de control uniform este asigurat pe toată gama de viteze.

Pentru utilizator solutie optima ar exista o combinație cele mai bune proprietăți ambele principii. În mod evident, sunt necesare atât proprietatea rezistenței la încărcare/descărcare în trepte pe întregul interval de viteză, care este de obicei un punct puternic al controlului V/f, cât și răspunsul rapid la modificările referinței de viteză (ca în controlul câmpului).