Устройство и принципы работы частотных преобразователей (инверторов)

[Zhafir_1]

Этой темой я заканчиваю цикл публикаций по техническим особенностям электрических термопластавтоматов и сегодня я подробно расскажу про устройство и принципы работы частотных преобразователей (инверторов).

Управление электродвигателем в частотном режиме до недавнего времени было большой проблемой, хотя теория частотного регулирования была разработана еще в тридцатых годах. Развитие частотно-регулируемого электропривода сдерживалось высокой стоимостью преобразователей частоты. Появление силовых схем с IGBT-транзисторами, разработка высокопроизводительных микропроцессорных систем управления позволило создать современные преобразователи частоты доступной стоимости.

Принцип частотного метода регулирования скорости двигателя заключается в том, что, изменяя частоту питающего напряжения, можно изменять угловую скорость магнитного поля статора. И в нашем случае использования синхронных двигателей - скорость вращения ротора. Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне. Для получения высоких энергетических показателей двигателя – коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности – необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение. Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки. При постоянном моменте нагрузки напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте. Таким образом, для плавного бесступенчатого регулирования частоты вращения вала электродвигателя, преобразователь частоты должен обеспечивать одновременное регулирование частоты и напряжения на статоре асинхронного двигателя.

Исторически первыми появились преобразователи с непосредственной связью, в которых силовая часть представляет собой управляемый выпрямитель и выполнена на тиристорах. Система управления поочередно отпирала группы тиристоров, формируя выходной сигнал. В настоящее время этот метод преобразования частоты не используется.

Сегодня преобразователи частоты используют схему построения с промежуточным звеном постоянного тока. На рисунке 1 показана упрощённая схема такого преобразователя частоты. В преобразователях такого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется во входном выпрямителе, фильтруется и сглаживается конденсаторами , в результате чего получается постоянное напряжение. Этот узел обычно называют звеном постоянного тока. Для формирования синусоидального переменного напряжения с регулируемой частотой служит генератор. В качестве электронных ключей, с помощью которых формируется выходной сигнал, используют IGВТ биполярные транзисторы с изолированным затвором включенными встречно-параллельно с диодами обратного тока. Генератор поочерёдно подключает обмотку статора к положительному и отрицательному полюсам выпрямителя. Получается, что через управляемые IGBT-транзисторы протекает активная составляющая тока электродвигателя, через диоды обратного трока – реактивная составляющая тока.

Регулирование выходной частоты и напряжения осуществляется за счет высокочастотного широтно-импульсного управления. По существу блок управления ШИМ (на данной схеме не указан) просто открывает и закрывает нужные выходные ключи (наши IGBT-транзисторы), формируя последовательность импульсов различной ширины. Результат отнюдь не похож на синусоиду (рис. 2). Однако в работе участвует и двигатель, индуктивность которого приводит к сглаживанию кривой тока, который оказывается пропорциональным среднему значению напряжения.

Теперь поговорим про управление. Различают два основных принципа управления преобразователями частот:
Основной принцип скалярного управления заключается в жёсткой зависимости частоты от амплитуды питающего напряжения. Данный принцип является наиболее простым способом реализации частотного управления. Благодаря относительно низкой стоимости преобразователей частоты со скалярным управлением, он широко используется для привода механизмов, с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя 1:40. Этот диапазон удовлетворяет требованиям по управлению насосами, вентиляторами, компрессорами.
Ко второму типу систем управления относится система векторного управления. Эти система характеризуется разделением каналов регулирования потокосцепления и скорости вращения электродвигателя, не достижимого при использовании скалярного управления. При построении указанных систем используется векторное представление физических величин. Преобразователи частоты, использующие данный принцип управления применяются в механизмах с повышенными требованиями к качеству регулирования скорости, например, приводы в станках, лифтах, кранах. Векторное управление с применением датчиков обратной связи обеспечивает большой диапазон регулирования по скорости. Применение датчиков обратной связи по скорости наиболее актуально в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокую стабильность скорости при малых оборотах двигателя, точное поддержание момента нагрузки на валу двигателя даже при нулевой скорости и обеспечить высокие динамические характеристики в переходных режимах.

В настоящий момент это самая расспространённая схема построения частотных преобразователей которая характеризуется плавным пуском двигателей, минимальными пусковыми токами и непрерывностью регулирования скорости электронным способом. Современные производители преобразователей частоты предлагают решения различной мощности и различного выходного напряжения, диапазонами регулирования частоты и системами управления преобразователем.