Виды частотных преобразователей

Содержание

• Частотные преобразователи с непосредственной связью
• Частотные преобразователи со звеном постоянного тока
• Классификация по методу управления
• Прочие особенности классификации

Преобразователь частоты представляет собой электротехническое устройство, базовая функция которого – изменение частоты переменного напряжения. В первую очередь, востребована эта техника в системах управления асинхронными электроприводами, изменение напряжения дает возможность скорректировать число оборотов и вращающий момент. Таким образом, преобразователь делает привод более универсальным и функциональным, нивелирует основные его недостатки, связанные с постоянной частотой оборотов и высокими токами запуска. Преобразователи частоты представлены несколькими видами, у каждого из которых есть свои как сильные, так и слабые стороны, что обязательно нужно учитывать при подборе.

Частотные преобразователи с непосредственной связью

Частотный преобразователь данного класса – это самая первая разработка, появившаяся на рынке. Силовой рабочий компонент представляет собой выпрямитель на основе тиристоров, позволяющих в определенном порядке подавать питание на обмотки статора. График напряжения в такой ситуации сформирован отрезками синусоиды, по очереди подаваемыми к обмоткам.

На выходе такой частотный преобразователь формирует напряжение, по графику напоминающее зубья пилы. Частота падает до значений ниже, чем в сети, что несколько ограничивает область эксплуатации электротехники. При такой ограниченности стоят устройства достаточно дорого, что объясняется сложностью алгоритмов и методик управления тиристорами.

Недостатки частотных преобразователей с прямой связью выглядят следующим образом:

• Обилие посторонних гармоник в выходящем напряжении, из-за которых падает производительность подключенного привода, он подвергается дополнительным нагрузкам, перегревается.
• Формируемая на выходе частота равна сетевым показателям, либо ниже их, что ограничивает функциональность и сферу эксплуатации, устройство позволяет только снижать интенсивность вращения подключенного электромотора.
• Практика показывает, что с должной эффективностью использовать оборудование удастся только в сочетании с электроприводами мощностью не ниже средней.

Впрочем, у этого вида частотных преобразователей присутствуют и положительные стороны:

1. В процессе торможения часть электрической энергии может быть возвращена в сеть, предусмотрена функция рекуперации.
2. Частота преобразуется только один раз, что увеличивает общий КПД оборудования.
3. Технику можно использовать в комбинации с другими устройствами, что позволит повысить мощность, добиться соответствия конкретной системе питания.
4. Расширенный низкочастотный диапазон. Модели с прямой связью максимально эффективны и надежны в ситуациях, когда нужно обеспечить корректное функционирование электромотора на минимальных оборотах.
5. Преобразователь совместим с высоковольтными цепями, напряжение в которых равняется или даже превышает 10 киловольт, выдерживает перегрузки по току и напряжению, в том числе и наиболее опасные, импульсные.

Частотные преобразователи со звеном постоянного тока

Такие преобразователи частоты отличаются более совершенной, современной конструкцией, совместимы даже с технологичными электроприводами. Модификация улучшила и усложнила алгоритм преобразования, который теперь строится не на одном, а на двух этапах. Первый этап – спрямление, сглаживание и фильтрация сетевого напряжения, второй – подача его на инверторный блок, где формируется ток требуемой частоты и напряжение с оптимальной амплитудой.

Функцию силовых ключей в данном случае выполняют запираемые тиристоры или транзисторы IGBT. Наибольшее распространение сейчас получают версии второй категории, аналоги на тиристорах не столь эффективны, более сложны конструктивно и менее точны.

Активация тиристора происходит посредством подачи короткого импульса на электрод управления, для деактивации же требуется сброс коммутационного тока или подача обратного напряжения. Столь сложная схема делает преобразователь габаритным и дорогим, алгоритм управления транзисторами IGBT гораздо проще, требует минимальных расходов энергии, все процессы протекают с высокой скоростью.

Преобразователь, главными компонентами которого являются IGBT-модули, дает возможность расширить доступные скоростные диапазоны электромоторов. Возможна работа как на высоких, так и на малых оборотах, даже без применения датчиков, дающих обратную связь.

Итоговый список преимуществ преобразователя частоты данного класса можно представить следующим образом:

• Частота напряжения на выходе может быть как ниже, так и выше сетевых значений. Это позволяет корректировать скорость вращения электропривода в широком диапазоне, использовать оборудование для любых моторов, вне зависимости от характеристик, спецификации.
• Преобразователь формирует выходное напряжение с идеально чистой синусоидой, что важно для подключения высокотехнологичных моторов, оборудования с высокой степенью автоматизации, насыщенного электронными компонентами.
• На преобразователях данного типа можно строить сложные комплексы и системы управления, обеспечивающими быстрое реагирование на изменение характеристик подключенного оборудования, позволяющими настраивать его производительность и скорость в широких диапазонах.
• Преобразователь можно использовать как на основных линиях питания с переменным током, так и на резервных, где подается переменный ток.
• На преобразователях используются усовершенствованные алгоритмы управления, благодаря которым удается наладить эффективное и точное взаимодействие с любыми электромоторами, вплоть до претенциозных, нуждающихся в максимально точных настройках скорости и вращающего момента.

Из недостатков частотников указанного типа можно отметить:

• Крупные габариты, объясняющиеся сложностью конструкции. Она включает фильтр, сглаживающий колебания, инвертор для рекуперации электрической энергии в некоторых рабочих режимах, процессор, выполняющий обработку входящей информации, основные функции управления, и другие модули.
• Несколько меньший КПД, в сравнении с устройствами предыдущего типа, что связано с двойным алгоритмом преобразования и сопутствующими потерями энергии.

Классификация по методу управления

По способу управления выделяют два основных типа устройств.

Задача таких регуляторов – формирование напряжения строго заданной частоты и амплитуды, благодаря чему в обмотках статора возникает стабильный магнитный поток. Преобразователь конструктивно достаточно прост, стоимость не слишком высока, однако, присутствуют определенные ограничения по функционалу. Например, нижняя планка корректировки скорости ограничена 10% от номинала частоты оборотов. Есть, впрочем, у оборудования и преимущества, помимо доступной цены. Например, один преобразователь может обслуживать сразу целый ряд электроприводов. Практика показывает, что техника скалярного типа оптимально подходит для управления электромоторами насосов, вентиляционных модулей и других устройств, где отсутствует необходимость в поддержании определенной интенсивности оборотов ротора независимо от нагрузки.

Такой преобразователь более технологичен. Встроенный процессор в автоматическом режиме определяет, как взаимодействуют магнитные поля, формирующиеся на роторе и статоре. Преобразователь гарантирует, что частота оборотов ротора окажется стабильной и постоянной, вне зависимости от характера колебаний, изменений нагрузки. Оборудование ориентировано на установки, где на первый план выходит поддержание требуемого момента силы на минимальной скорости вращения, отзывчивость, точность настройки. Внутри группы векторных устройств существует два дополнительных класса, частотный преобразователь может комплектоваться датчиками обратной связи, фиксирующими скорость вращения, либо обходиться без них. Для наиболее требовательных силовых установок и систем рекомендованы именно модели с датчиками, которые дают возможность с высокой точностью позиционировать вал, плавно запускать мотор, обеспечивать заданную частоту вращения даже при постоянно меняющейся нагрузке, сопротивлении.

Прочие особенности классификации

При классификации преобразователя частоты также можно учитывать вид питания, на который он ориентирован. Некоторые модели могут эффективно использоваться только в однофазных сетях (как правило, это бытовые решения, исполнения невысокой мощности и производительности), другие – в трехфазных, также существуют регуляторы частоты, ориентированные на высоковольтные сети.

При подборе нужно учитывать и конструктивное исполнение, спецификацию преобразователя частоты. Например, для работы в тяжелых условиях промышленного цеха, необходим преобразователь, способный выдержать выраженные температурные колебания, контакт с влажным запыленным воздухом. Такие характеристики достигаются установкой всех силовых, электронных компонентов в герметичный корпус, соответствующий стандартам IP54, IP65 и более высоким. Особенно внимательно нужно подбирать преобразователь для использования на опасных производствах, где в цехах высока концентрация газов, веществ, способных к детонации. Регулятор частоты в таком случае комплектуется полностью изолированными силовыми компонентами, что исключает формирование искры, накопление статического заряда, который может привести к воспламенению, взрыву скопившихся газов.