Честотен преобразувател — видове, принцип на работа, схеми на свързване

Роторът на всеки електродвигател се задвижва от сили, причинени от въртящо се електромагнитно поле вътре в намотката на статора. Скоростта му обикновено се определя от индустриалната честота на електрическата мрежа.

Стандартната му стойност от 50 херца предполага петдесет периода на трептене за една секунда. За една минута броят им се увеличава 60 пъти и е 50×60 = 3000 оборота. Роторът се завърта същия брой пъти под въздействието на приложеното електромагнитно поле.

Ако промените стойността на честотата на мрежата, приложена към статора, можете да регулирате скоростта на въртене на ротора и свързаното към него задвижване. Този принцип е в основата на управлението на електродвигателите.

Видове честотни преобразуватели

По дизайн честотните преобразуватели са:

1. индукционен тип;

2. електронен.

Произведени асинхронни двигатели съгласно схемата с фазов ротор и стартирани в режим генератор, са представители на първия тип. По време на работа те имат ниска ефективност и се отличават с ниска ефективност. Следователно те не са намерили широко приложение в производството и се използват изключително рядко.

Методът за електронно преобразуване на честота позволява плавно регулиране на скоростта както на асинхронни, така и на синхронни машини. В този случай може да се приложи един от двата принципа на контрол:

1. Съгласно предварително определена характеристика на зависимостта на скоростта на въртене от честотата (V / f);

2. метод на векторно управление.

Първият метод е най -простият и по -малко съвършен, а вторият се използва за точно контролиране на скоростите на въртене на критично промишлено оборудване.

Характеристики на векторно управление на честотно преобразуване

Разликата между този метод е взаимодействието, влиянието на устройството за управление на преобразувателя върху «космическия вектор» на магнитния поток, въртящ се с честотата на роторното поле.

Алгоритмите за преобразувателите да работят по този принцип са създадени по два начина:

1. безсензорен контрол;

2. регулиране на потока.

Първият метод се основава на определяне на определена зависимост от редуването на последователности широчинно -импулсна модулация (ШИМ) инвертор за предварително подготвени алгоритми. В този случай амплитудата и честотата на напрежението на изхода на преобразувателя се контролират от ток на приплъзване и натоварване, но без да се използва обратна връзка за скоростта на ротора.

Този метод се използва при управление на няколко електродвигателя, свързани паралелно с честотния преобразувател. Контролът на потока включва следене на работните токове вътре в двигателя с тяхното разлагане на активни и реактивни компоненти и извършване на корекции в работата на преобразувателя за задаване на амплитудата, честотата и ъгъла за векторите на изходното напрежение.

Това подобрява точността на двигателя и увеличава границите на неговото регулиране. Използването на контрол на потока разширява възможностите на задвижвания, работещи при ниски обороти с високи динамични натоварвания, като например кранови подемници или промишлени машини за навиване.

Използването на векторна технология позволява да се приложи динамичен контрол на въртящия момент трифазни асинхронни двигатели. 

Еквивалентна верига

Основна опростена електрическа верига на асинхронен двигател може да бъде представена, както следва.

Напрежение u1 се прилага към намотките на статора, които имат активно R1 и индуктивно X1 съпротивление. Той, преодолявайки съпротивлението на въздушната междина Xv, се трансформира в намотка на ротор, причинявайки в нея ток, който преодолява съпротивлението му.

Еквивалентна схема на векторна схема

Конструкцията му помага да се разберат процесите, протичащи в асинхронния двигател.

Енергията на тока на статора е разделена на две части:

• iµ — поток -образуващ дял;

• iw — генериращ момент компонент.

В този случай роторът има зависимо от приплъзване активно съпротивление R2 / s.

За безсензорно управление се измерва следното:

• напрежение u1;

• ток i1.

Според техните стойности те изчисляват:

• iµ — поточен компонент, формиращ потока;

• iw — стойност, генерираща въртящ момент.

Алгоритъмът за изчисление вече включва електронна еквивалентна схема на асинхронен двигател с регулатори на ток, която отчита условията на насищане на електромагнитното поле и загубите на магнитна енергия в стомана.

И двата компонента на векторите на тока, различни по ъгъл и амплитуда, се въртят заедно с координатната система на ротора и се превръщат в неподвижна система за ориентация на статора.

Според този принцип параметрите на честотния преобразувател се настройват спрямо натоварването на асинхронния двигател.

Принципът на работа на честотния преобразувател

Това устройство, което също се нарича инвертор, се основава на двойна промяна във формата на вълната на захранващата електрическа мрежа.

Първоначално индустриалното напрежение се подава към токоизправител с мощни диоди, които премахват синусоидалните хармоници, но оставят вълните на сигнала. За тяхното отстраняване е предвидена кондензаторна банка с индуктивност (LC-филтър), която осигурява стабилна, изгладена форма спрямо коригираното напрежение.

След това сигналът отива към входа на честотния преобразувател, който представлява трифазна мостова верига от шест силови транзистори серия IGBT или MOSFET с защитни диоди срещу напрежение при обратна полярност. Използваните преди това тиристори за тези цели нямат достатъчна скорост и работят с големи смущения.

За да включите «спирачния» режим на двигателя, във веригата може да бъде инсталиран контролиран транзистор с мощен резистор, който разсейва енергия. Тази техника позволява да се премахне напрежението, генерирано от двигателя, за да се предпазят филтърните кондензатори от презареждане и повреда.

Методът за векторно управление на честотата на преобразувателя ви позволява да създавате вериги, които извършват автоматично управление на сигнала от ACS системи. За това се използва система за управление:

1. амплитуда;

2. ШИМ (симулация на импулсна ширина).

Методът за управление на амплитудата се основава на промяна на входното напрежение, а PWM се основава на алгоритъма за превключване на силовите транзистори при постоянно входно напрежение.

С ШИМ регулиране се създава период на модулация на сигнала, когато намотката на статора е свързана в строг ред към положителните и отрицателните изводи на токоизправителя.

Тъй като тактовата честота на генератора е доста висока, тогава в намотката на електродвигателя, който има индуктивно съпротивление, те се заглаждат до нормална синусоида.

Методите за управление на ШИМ максимизират елиминирането на загубите на енергия и осигуряват висока ефективност на преобразуване поради едновременното управление на честотата и амплитудата. Те са станали достъпни благодарение на развитието на технологии за управление на тиристори със заключване на мощност от серията GTO или биполярни марки на IGBT транзистори с изолирана порта.

Принципите на тяхното включване за управление на трифазен двигател са показани на снимката.

Всеки от шестте IGBT е свързан в антипаралелна верига към собствен диод с обратен ток. В този случай активният ток на асинхронния двигател преминава през силовата верига на всеки транзистор, а реактивният му компонент се насочва през диодите.

За да се елиминира влиянието на външния електрически шум върху работата на инвертора и двигателя, схемата на честотния преобразувател може да включва филтър за потискане на шумаликвидиране:

• радиосмущения;

• електрически разряди, предизвикани от работещо оборудване.

Те се сигнализират от контролера и за намаляване на удара се използва екранирано окабеляване между двигателя и изходните клеми на инвертора.

За да се подобри точността на работата на асинхронните двигатели, веригата за управление на честотните преобразуватели включва:

• комуникационен вход с разширени интерфейсни възможности;

• вграден контролер;

• карта памет;

• софтуер;

• информационен LED дисплей, показващ основните изходни параметри;

• спирачен чопър и вграден ЕМС филтър;

• охладителна система на веригата, базирана на издухване с вентилатори с увеличен ресурс;

• функцията за загряване на двигателя чрез постоянен ток и някои други възможности.

Диаграми на оперативно свързване

Честотните преобразуватели са предназначени за работа с еднофазни или трифазни мрежи. Ако обаче има промишлени източници на постоянен ток с напрежение 220 волта, тогава от тях могат да се захранват и инвертори.

Трифазните модели са проектирани за мрежово напрежение 380 волта и го захранват към електродвигателя. Еднофазните инвертори се захранват от 220 волта и на изхода издават три фази, разпределени във времето.

Схемата на свързване на честотния преобразувател към двигателя може да се извърши съгласно схемите:

• звезди;

• триъгълник.

Намотките на двигателя са сглобени в «звезда» за преобразувателя, захранвани от трифазна мрежа от 380 волта.

Според схемата «триъгълник» намотките на двигателя се сглобяват, когато захранващият преобразувател е свързан към еднофазна 220-волтова мрежа.

Когато избирате метод за свързване на електродвигател към честотен преобразувател, трябва да обърнете внимание на съотношението на мощността, което работещ двигател може да създаде във всички режими, включително бавен, натоварен старт, с възможностите на инвертора.

Невъзможно е постоянно да се претоварва честотния преобразувател и малък запас от изходната му мощност ще му осигури дългосрочна и безпроблемна работа.