Принцип работы частотного преобразователя

Содержание

• Основные компоненты преобразователя частоты
• Структура и особенности работы
• Принцип работы частотника
• Режимы работы частотного преобразователя
  • Поддержание скорости асинхронного двигателя
  • Поддержание параметра, регулятор ПИД

Частотный преобразователь – электротехническое оборудование, основная задача которого – изменение выходного напряжения переменного тока, а также его частоты. Конечное значение данных показателей может быть и гораздо выше характеристик на входе, и ниже их.

Основные компоненты преобразователя частоты

Важнейшие элементы устройства – выпрямительные диоды или, что бывает несколько реже, тиристоры и диоды. Сетевое напряжение в 380 вольт, частотой в стандартные 50 Гц, поступает на входную группу устройства. Выпрямление формирует напряжение с пульсациями, которые, однако, такого преобразования еще не хватает для того, чтобы оно стало постоянным. Необходимые параметры достигаются за счет задействования звена постоянного тока, посредством которого удается сгладить пульсации. Резистор предзаряда – промежуточный элемент между выпрямляющей группой и звеном постоянного тока. Более подробное описание особенностей и рабочих характеристик обозначенных модулей следующее:

1. Резистор предзаряда. Его базовая функция – ограничение тока заряда конденсаторов в первые мгновения работы, что обеспечивает защиту диодов от скачка тока. Постепенно заряжаются конденсаторы, резистор деактивируется и не влияет на дальнейшую работу оборудования.

2. Звено постоянного тока. В классическом варианте данное звено сформировано емкими конденсаторами. Функция – сглаживание пульсаций напряжения, обеспечение постоянства данной величины. В норме, когда напряжение сети находится на уровне 380 вольт, показатель выходного напряжения – 540. При изменении входных значений пропорционально меняются и уровни на выходе.

Полный набор компонентов устройства – выпрямитель, фильтр, центральный управляющий процессор, инвертор.

Структура и особенности работы

Применение частотников позволяет уменьшить показатели пусковых токов, за счет чего мотору приходится работать под небольшими нагрузками, увеличивается эксплуатационный ресурс оборудования, экономическая эффективность становится максимальной, расход энергии устройства снижается, но производительность на 100% соответствует поставленной задачи и области использования.

Когда напряжение выпрямлено, оно передается дальше, на инверторный блок. Именно от него зависит вся работа частотного преобразователя, он “готовит” питание для электродвигателя. Конфигурация напряжения на выходе – прямоугольные импульсы, они различны по ширине, строго выверены по продолжительности. Этот принцип заложен в построение силовой части техники.

Схему также нельзя представить без слаботочных цепей, обеспечивающих синхронизацию, корректную совместную функцию между базовыми компонентами преобразователя. Например, ЦПУ -–это важнейший вычислительный модуль, именно он обрабатывает сигналы, отдает команды на изменение производительности инвертора и других составных частей. ЦПУ принимает сигналы, воспринимаемые датчиками тока, определяет оптимальный в конкретном случае алгоритм, чтобы характеристики работы частотного преобразователя на 100% соответствовали актуальным условиям. Техника укомплектована источником питания, дающим энергию для работы силовой и электрической частей. 

Основа инверторной части представляет собой комплекс транзисторов IGBT, разработанных специально для эксплуатации в ключевых режимах. По сути, данный транзистор является комбинацией биполярного и полевого элементов. Управляющий элемент – изолированный затвор (что идентично полевому аналогу), силовой блок идентичен биполярной детали, снабженной коллектором-эмиттером.

Силовой элемент конструктивно представляет собой спаренный модуль, транзисторы, подключенные по последовательной схеме. Из-за необходимости генерации трех фаз на выходе конструкция устройства предполагает наличие 3 плеч.

Принцип работы частотника

Принцип работы частотного базируется на нескольких стадиях:

1. Выпрямление синусоиды входного тока за счет функционирования тиристоров или диодного моста.

2. Фильтрация сигнала при помощи конденсаторного блока, что исключает падение напряжения или формирование чрезмерной пульсации.

3. Изменение напряжения, формирование трехфазной волны с заданными характеристиками. Для этого применяется микропроцессорное управление и транзисторные мосты.

4. Формирование необходимой выходной частоты и других показателей тока, благодаря чему изменяется число оборотов вращения вала, достигается максимальная эффективность работы электромотора без повышения нагрузки на него и перерасхода энергии.

Режимы работы частотного преобразователя

Конкретный принцип работы преобразователя частоты определяется выбранным режимом.

Поддержание скорости асинхронного двигателя

Данный режим является наиболее распространенным. Корректировка частоты дает возможность точно поддерживать скорость мотора, плавно разгонять и останавливать его. Зависимость от напряжения, в большинстве случаев, линейна, но иногда допустимы и иные вариации. К примеру, при взаимодействии с насосным и вентиляционным оборудованием актуален квадратичный вольт-частотный показатель, подразумевающий минимальное напряжение на низкой частоте. Обслуживание подъемной техники, наоборот, предполагает увеличение напряжения во время разгона для достижения достаточных пусковых моментов. Все это актуально при реализации скалярной методики управления, когда обратная связь ограничивается током, подающимся на обмотки. Именно эта характеристика помогает определить актуальную нагрузку, испытываемую валом. Вычислительный алгоритм дает возможность скорректировать частоту и напряжение выхода. Если мотор выходит за нормативные пределы, срабатывает механизм остановки, работа системы временно блокируется. 

Методика векторного управления точнее скалярной, она предполагает, что данные по току дополнены информацией, подаваемой датчиком скорости вращения. Это позволяет оборудованию подбирать режим питания, при котором удастся поддерживать необходимые скоростные показатели.

Поддержание параметра, регулятор ПИД

Режим широтно-импульсной модуляции подходит для ситуаций, когда акцент делается не на стабильности скорости вращения, а на одном из внешних показателей, необходимых электромотору. Яркий пример – насос, поддерживающий давление в циркуляционном контуре или иной похожей системе. В таком случае ток фиксируется только для исключения перегрева, частота варьируется от минимума до максимума, в соответствии от данных источника, обеспечивающего обратную связь. ПИД-регулирование предполагает, что нужно фиксировать не частоту, а значения (либо конкретную величину) внешнего показателя. Методика реализована через изменение настроек техники.