Avtonova37.ru

Авто мастер
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Частотные преобразователи для асинхронных двигателей принцип работы наладка

Принцип действия частотного преобразователя для электродвигателя

    0 commentsПринцип работы 21 декабря, 2016

Главной технологической задачей является повышение скорости любого производственного процесса.

Сначала в промышленности для форсирования использовались коробки передач, редукторы, вариаторы. Однако эти механизмы не обеспечивали плавный пуск оборудования и требуемое убыстрение. Используя электромашины постоянного тока, которые уже позволяли гибко регулировать вращение. Но они имели недостатки: высокая стоимость и эксплуатационная сложность.

Потом, для передачи движения большинству механизмов и машин начали применять асинхронные двигатели. Простые по конструкции, надёжные в управлении и низкой стоимости. Это определило их преимущество в электрорегулируемых приводах.

Однако, для его использования в технологических процессах необходимо было создать дополнительное устройство, позволяющее исполнять плавный пуск, остановку, то есть, управление скоростью двигателя. Эта функцию выполняет преобразователь частоты ПЧ, решающий главную задачу — регулирование скоростью привода.

Внедрение полупроводниковых материалов, использование тиристорных преобразователей началось в середине двадцатого века. Потом появились транзисторные устройства, отличающиеся надёжностью, компактностью, простыми в эксплуатации и недорогой ценой.

Их применение в конструкциях преобразователей частоты обеспечивает приводам выполнять многие технологических задач в промышленности, перерабатывающей отрасли, объектов ЖКХ, в автоматизации технологических процессов.

Устройство и назначение

Частотный преобразователь представляет собой набор схем, в которых тиристоры или транзисторы функционируют в режиме электронных ключей. Основное управление этими ключами осуществляет микропроцессор, который параллельно выполняет контроль, диагностику и защиту.

Часто преобразователь называют инвертором частотником. Существует два класса оборудования этого назначения:

  1. С прямой связью.
  2. С промежуточным звеном постоянного тока.

По своим характеристикам каждый класс обладает своими преимуществами и недостатками, которые и определяют место их конкретного использования. Управляемый выпрямитель считается основным электрическим устройством в инверторах с прямой связью. Во время работы он отключает тиристоры и подключает статорную обмотку электродвигателей к сети.

Преобразование выходного напряжения происходит за счет участков входного, поэтому их частота не может быть равна или больше питания, поступающего от источника. То есть она находится в пределах от 0 до 50 Гц, что приводит к слишком малому диапазону управления частотой вращения электродвигателя.

Эти параметры не позволяют подобные конструкции использовать в современных, регулируемых по частоте приводах.

Асинхронные электродвигатели требуют сложную регулировку вращения, которую и обеспечивают преобразователи частоты, создающие на выходе высокочастотное напряжение до 800 Гц.

Методы управления

Инвертор напряжения

  • Двухуровневый инвертор напряжения
  • Трехуровневый преобразователь с фиксированной нейтральной точкой
  • Каскадный Н-мостовой преобразователь
  • Преобразователь с плавающими конденсаторами

Инвертор напряжения наиболее распространен среди силовых преобразователей.

Двухуровневый инвертор напряжения

Двухуровневый инвертор напряжения (two-level voltage-source inverter) – наиболее широко применяемая топология преобразователя энергии. Он состоит из конденсатора и двух силовых полупроводниковых ключей на фазу. Управляющий сигнал для верхнего и нижнего силовых ключей связан и генерирует только два возможных состояния выходного напряжения (нагрузка соединяется с положительной или отрицательной шиной источника постоянного напряжения).

Используя методы модуляции для генерирования управляющих импульсов возможно синтезировать выходное напряжение с желаемыми параметрами (формой, частотой, амплитудой). Из-за содержания высоких гармоник в выходном сигнале для генерирования синусоидальных токов выходной сигнал необходимо фильтровать, но так как данные преобразователи обычно имеют индуктивную нагрузку (электродвигатели) дополнительные фильтры используются только при необходимости.

Максимальное выходное напряжение определяется значением постоянного напряжения звена постоянного тока. Для эффективного управления мощной нагрузкой требуется высокое постоянное напряжение звена постоянного тока, но на практике это напряжение ограничено максимальным рабочим напряжением полупроводников. Для примера низковольтные IGBT транзисторы обеспечивают выходное напряжение до 690 В. Для того чтобы обойти данное ограничение по напряжению в последние десятилетия были разработаны схемы многоуровневых преобразователей. Данные преобразователи сложнее, чем двухуровневые в плане топологии, модуляции и управления, но при этом имеют лучшие показатели по мощности, надежности, габаритам, производительности и эффективности.

Трехуровневый преобразователь с фиксированной нейтральной точкой

В трехуровневом преобразователе с фиксированной нейтральной точкой (three-level neutral point clamped converter) постоянное напряжение делится поровну посредством двух конденсаторов, поэтому фаза может быть подключена к линии положительного напряжения (посредством включения двух верхних ключей), к средней точке (посредством включения двух центральных ключей) или к линии отрицательного напряжения (посредством включения двух нижних ключей). Каждому ключу в данном случае требуется блокировать только половину напряжения звена постоянного тока, тем самым позволяя увеличить мощность устройства, используя те же самые полупроводниковые ключи, как и в обычном двухуровневом преобразователе. В данном преобразователе обычно используются высоковольтные IGBT транзисторы и IGCT тиристоры.

Читать еще:  Влияет ли датчик распредвала на запуск двигателя

    Недостатками данных преобразователей являются:
  • Дисбаланс конденсаторов, создающий асимметрию в преобразователе. Данную проблему предлагается решать путем изменения метода модуляции.
  • Неравное распределение потерь из-за того, что потери на переключение внешних и центральных ключей отличаются в зависимости от режима работы. Данная проблема не может быть решена с использованием обычной схемы, поэтому была предложена измененная топология – активный преобразователь со связанной нейтральной точкой (active NPC). В этой схеме диоды заменены управляемыми ключами. Таким образом, выбирая соответствующую комбинацию ключей, возможно уменьшить и равномерно распределить потери.

Преобразователь с фиксированной нейтральной точкой может масштабироваться для достижения больше чем трех уровней выходного сигнала путем деления напряжения звена постоянного тока более чем на два значения посредством конденсаторов. Каждое из этих деленных напряжений может быть подключено к нагрузке с использованием расширенного набора ключей и ограничительных диодов. Вместе с увеличением мощности преимуществами многоуровневого преобразователя является лучшее качество электроэнергии, меньшее значение скорости нарастания напряжения (dv/dt) и связанных электромагнитных помех. Однако, когда преобразователь со связанной нейтральной точкой имеет более трех уровней, появляются другие проблемы. С точки зрения схемотехники в таком случае ограничительные диоды требуют более высокое максимальное рабочее напряжение чем основные ключи, что требует использования различных технологий или нескольких ограничительных диодов соединенных последовательно. В дополнение становится критическим неравномерное использование силовых элементов в схеме. В итоге из-за увеличения количества элементов снижается надежность. Приведенные недостатки ограничивают использование преобразователей с фиксированной нейтральной точкой с более чем тремя уровнями в промышленных приложениях.

Многоуровневые преобразователи

Каскадные преобразователи основанные на модульных силовых ячейках со схемой H-мост (cascaded H-bridge — CHB) и преобразователи с плавающими конденсаторами (flying capacitor converter) были предложены для обеспечения большего количества уровней выходного напряжения в сравнении с преобразователями с фиксированной нейтральной точкой.

Каскадный Н-мостовой преобразователь

Каскадный преобразователь — высоко модульный преобразователь, состоящий из нескольких однофазных инверторов, обычно называемыми силовыми ячейками, соединенными последовательно для формирования фазы. Каждая силовая ячейка выполнена на стандартных низковольтных компонентах, что обеспечивает их легкую и дешевую замену в случае выхода из строя.

Основным преимуществом данного преобразователя является использование только низковольтных компонентов, при этом он дает возможность управлять мощной нагрузкой среднего диапазона напряжения. Несмотря на то что частота коммутации в каждой ячейке низкая, эквивалентная частота коммутации приложенная к нагрузке – высокая, что уменьшает потери на переключение ключей, дает низкую скорость нарастания напряжения (dv/dt) и помогает избежать резонансов.

Преобразователь с плавающими конденсаторами

Выходное напряжение преобразователя с плавающими конденсаторами получается путем прямого соединения выхода фазы с положительной, отрицательной шиной или подключением через конденсаторы. Количество уровней выходных напряжений зависит от количества навесных конденсаторов и отношения между различными напряжениями.

Этот преобразователь, как и в случае каскадного преобразователя, также имеет модульную топологию, где каждая ячейка состоит из конденсатора и двух связанных ключей. Однако, в отличие от каскадного преобразователя добавление дополнительных силовых ключей к конденсаторному преобразователю не увеличивает номинальную мощность преобразователя, а только уменьшает скорость нарастания напряжения (dv/dt), улучшая коэффициент гармоник выходного сигнала. Как и у каскадного преобразователя, модульность уменьшает стоимость замены элементов, облегчает поддержку и позволяет реализовать отказоустойчивую работу.

Конденсаторный преобразователь требует только один источник постоянного тока для питания всех ячеек и фаз. Поэтому, можно обойтись без входного трансформатора, а количество ячеек может быть произвольно увеличено в зависимости от требуемой выходной мощности. Подобно преобразователю с фиксированной нейтральной точкой, этому преобразователю требуется специальный алгоритм управления для регулирования напряжения на конденсаторах.

Инвертор тока

Для работы инвертору тока всегда требуется управляемый выпрямитель, чтобы обеспечить постоянный ток в звене постоянного тока. В стандартной топологии обычно используются тиристорные выпрямители. Чтобы уменьшить помехи в нагрузке, в звене постоянного тока используется расщепленная индуктивность. Инвертор тока имеет схему силовых ключей наподобие инвертора напряжения, но в качестве силовых ключей используются тиристоры с интегрированным управлением (IGCT). Выходной ток имеет форму ШИМ и не может быть напрямую приложен к индуктивной нагрузке (электродвигателю), поэтому инвертор тока обязательно включает выходной емкостной фильтр, который сглаживает ток и выдает гладкое напряжение на нагрузку. Этот преобразователь может быть реализован для работы на средних напряжениях и более того он по природе имеет возможность рекуперации энергии.

Прямые преобразователи

Прямые преобразователи передают энергию прямо от входа к выходу без использования элементов накопления энергии. Основным преимуществом таких преобразователей является меньшие габариты. Недостатком – необходимость более сложной схемы управления.

Циклоконвертер относится к категории прямых преобразователей. Данный преобразователь широко использовался в приложениях требующих высокую мощность. Этот конвертер состоит из двойных тиристорных преобразователей на фазу, который может генерировать изменяемое постоянное напряжение, контролируемое таким образом, чтобы следовать опорному синусоидальному сигналу. Вход каждого преобразователя питается от фозосмещающего трансформатора, где устраняются гармоники входного тока низкого порядка. Выходное напряжение является результатом комбинации сегментов входного напряжения в котором основная гармоника следует за опорным сигналом. По своей природе данный преобразователь хорошо подходит для управления низкочастотными мощными нагрузками.

Матричный преобразователь в его прямой и непрямой версии также принадлежит к категории прямых преобразователей. Основной принцип работы прямого матричного преобразователя (direct matrix converter) — возможность соединения выходной фазы к любому из входных напряжений. Преобразователь состоит из девяти двунаправленных ключей, которые могут соединить любую входную фазу с любой выходной фазой, позволяя току течь в обоих направлениях. Для улучшения входного тока требуется индуктивно-емкостной фильтр второго порядка. Выход напрямую соединяется с индуктивной нагрузкой. Не все доступные комбинации ключей возможны, они ограничены только 27 правильными состояниями коммутации. Как говорилось ранее, основное преимущество матричных преобразователей — меньшие габариты, что важно для автомобильных и авиационных приложений.

Непрямой матричный преобразователь (indirect matrix converter) состоит из двунаправленного трехфазного выпрямителя, виртуального звена постоянного тока и трехфазного инвертора. Количество силовых полупроводников такое же как у прямых матричных преобразователей (если двунаправленный ключ рассматривается как два однонаправленных ключа), но количество возможных состояний включения отличается. Используя ту же самую конфигурацию непрямого матричного преобразователя, возможно упростить его топологию и уменьшить количество элементов ограничив его работу от положительного напряжения в виртуальном звене постоянного тока. Уменьшенная топология называется разреженный матричный преобразователь (sparse matrix converter).

  • Экономия электроэнергии из-за возможности регулирования технологическими характеристиками. Например, скорость конвейера, давление насоса, скорость движения станка. Особенная экономия выходит при транспортировке жидкости. На смену задвижкам, клапанов, входных лопастей используется один ПЧ. Высокая цена оправдывает его пользу.
  • Двигателю не грозит перегревание, замыкание, перебои в питании, перегрузка, проблемы с фазами.
  • Пусковой момент работает с максимальной мощностью.
  • Увеличивается эффективность работы карбюраторного двигателя и устройства в целом. Благодаря плавному впуску и такому же торможению.
  • Если нагрузка увеличивается или уменьшается, стабилизируется скорость вращения.

К недостаткам можно отнести значительную цену частотного преобразователя.

Выбор частотного преобразователя

Изначальной задачей каждого производителя можно назвать продать свою продукцию. Именно поэтому, следует обратить внимание на нижеприведенные нюансы правильного выбора:

  1. Скалярный или векторный метод управления. Современные варианты исполнения зачастую имеют векторные методы управления, однако особый режим работы позволяет переключиться на скалярный метод управления. Найти новый частотник без векторного метода управления практически невозможно.
  2. Мощностной ряд. Стоит помнить о том, что мощность потребителя энергии – важный показатель, на который стоит обращать внимание.
  3. Входное напряжение, а точнее допустимый диапазон, определяет то, при каком напряжении преобразователь частоты может работать без сбоев. При этом, важно понять, что падение показателя приведет к остановке частотника, увеличение – к выходу из строя всего оборудования. Поэтому следует обеспечить работу при постоянном показателе входного напряжения.
  4. Диапазон регулировки – также важный показатель, особенно при использовании двигателей, которые работают при высоких показателях номинальной частоты.
  5. Как организовано управление. Современные варианты исполнения имеют специальные пульты, при помощи которых можно вводить необходимые значения.
  6. Срок гарантии косвенно говорит о надежности техники. Однако, стоит помнить о том, что выход из строя при подаче тока с неправильными номинальными показателями нельзя назвать гарантийным случаем.

Вышеприведенные особенности следует учитывать при выборе преобразователя частоты.

Принципы построения частотного преобразователя [ править | править код ]

С непосредственной связью [ править | править код ]

В преобразователях с непосредственной связью частотный преобразователь представляет собой управляемый выпрямитель. Система управления поочерёдно отпирает группы тиристоров и подключает статорные обмотки двигателя к питающей сети. Таким образом, выходное напряжение преобразователя формируется из «вырезанных» участков синусоид входного напряжения. Частота выходного напряжения не может быть равна или выше частоты питающей сети. Она находится в диапазоне от 0 до 30 Гц. Как следствие — малый диапазон управления частотой вращения двигателя (не более 1 : 10). Это ограничение не позволяет применять такие преобразователи в современных частотно регулируемых приводах с широким диапазоном регулирования технологических параметров.

Использование незапираемых тиристоров требует относительно сложных систем управления, которые увеличивают стоимость преобразователя. «Резаная» синусоида на выходе преобразователя с непосредственной связью является источником высших гармоник, которые вызывают дополнительные потери в электрическом двигателе, перегрев электрической машины, снижение момента, очень сильные помехи в питающей сети. Применение компенсирующих устройств приводит к повышению стоимости, массы, габаритов, понижению КПД системы в целом.

С явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока [ править | править код ]

Наиболее широкое применение в современных частотно-регулируемых приводах находят преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока. В преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение выпрямляется в выпрямителе, фильтруется фильтром, а затем вновь преобразуется инвертором в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению КПД и к некоторому ухудшению массогабаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.

Виды преобразователей частоты

Существует несколько типов частотников, которые на данный момент являются самыми распространенными для производства и использования:

Электромашинные (электроиндукционные) преобразователи: используются в тех случаях, когда невозможно или нецелесообразно применение электронных ПЧ. Конструктивно такие устройства являются асинхронными двигателями с фазным ротором, которые работают в режиме генератора-преобразователя.

Данные устройства являются преобразователями со скалярным управлением. На выходе из данного аппарата создается напряжение заданной амплитуды и частоты для поддержания определенного магнитного потока в обмотках статора. Они применяются в тех случаях, когда не требуется поддерживать скорость вращения ротора в зависимости от нагрузки (насосы, вентиляторы и прочее оборудование).

Электронные преобразователи: широко применяется в любых условиях работы для различного оборудования. Такие устройства являются векторными, они автоматически вычисляют взаимодействие магнитных полей статора и ротора и обеспечивают постоянное значение частоты вращения ротора вне зависимости от нагрузки.

  1. Циклоконверторы;
  2. Циклоинверторы;
  3. ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока:
  • Частотный преобразователь источника тока;
  • Частотный преобразователь источника напряжения (с амплитудно- или широтно- импульсной модуляцией).

По сфере применения оборудование может быть:

  • для оборудования мощностью до 315 кВт;
  • векторные преобразователи для мощности до 500 кВт;
  • взрывозащищённые устройства для применения во взрывоопасных и запыленных условиях;
  • частотные преобразователи, монтируемые на электродвигатели;

Каждый тип частотного преобразователя имеет определенные преимущества и недостатки и применим для различного оборудования и нагрузок, а также условий работы.

Управление частотным преобразователем может быть ручным или внешним. Ручное управление осуществляется с пульта управления ПЧ, которым можно отрегулировать частоту вращения или остановить работу. Внешнее управление выполняется при помощи автоматических систем управления (АСУТП), которые могут контролировать все параметры устройства и позволяют переключать схему или режим работы (через ПЧ или байпас). Также внешнее управление позволяет программировать работу преобразователя в зависимости от условий работы, нагрузки, времени, что позволяет работать в автоматическом режиме.

Выводы

Асинхронные электродвигатели по многим параметрам превосходят двигатели постоянного тока. Превосходство это касается и устройства и надёжности. Поэтому во многих случаях пользователи выбирают именно асинхронные двигатели, руководствуясь именно соображениями насчёт их превосходства над другими устройствами.

Механическое управление током вызывает некоторые негативные последствия, так как при использовании этого варианта управления нельзя быть уверенным в стопроцентной и качественной работе оборудования. Использование частотных преобразователей для асинхронных двигателей имеет свои очень важные преимущества, которые немаловажны во многих аспектах работы с двигателями. Одним из самых главных плюсов использования электронного управления и частотников является тот факт, что эти устройства позволяют экономить расход потребляемой электроэнергии. К тому же и мощность будет больше.

Частотники следует выбирать, беря во внимание множество характеристик, которые прописываются в документации, приложенной к устройству. Частотные преобразователи, сделанные кустарно, могут пригодиться в бытовых условиях, но на производстве их использовать не стоит.

Эксплуатация преобразователей должна проводиться грамотно, в соответствии со всеми рекомендациями и правилами. Это позволит улучшить качество работы оборудования. К тому же многие советы позволят продлить работу двигателю и преобразователю. Крайне рекомендуется следить за напряжением. В случае критического повышения напряжения могут взорваться конденсаторы. Частотники должны быть использованы с оглядкой на все основные правила безопасности. Рекомендуется не браться за работу с ними в отсутствие всех необходимых знаний в этой области.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector