Принцип работы частотника

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы - фото 1

В различных ситуациях может возникнуть необходимость преобразования частоты исходного тока в ток с напряжением регулируемой частоты. Это требуется, например, при работе асинхронных двигателей для изменения их скорости вращения. 

Что такое частотный преобразователь

Частотный преобразователь (ПЧ) – это электротехническое устройство, которое преобразовывает и плавно регулирует однофазный или трехфазный переменный ток с частотой 50 Гц в аналогичный по типу ток с частотой от 1 до 800 Гц. Такие устройства широко применяются для управления работой различных электрических машин асинхронного типа, например, для изменения частоты их вращения. Также существуют аппараты для использования в промышленных высоковольтных сетях.

Простые преобразователи регулируют частоту и напряжение в соответствии с характеристикой V/f, сложные приборы используют векторное управление.

Частотный преобразователь является технически сложным устройством и состоит не только из преобразователя частоты, но и имеет защиту от перегрузок по току, от перенапряжения и короткого замыкания. Также такое оборудование может иметь дроссель для улучшения формы сигнала и фильтры для уменьшения различных электромагнитных помех. Различают электронные преобразователи, а также электромашинные устройства.

Принцип работы частотного преобразователя

Электронный преобразователь состоит из нескольких основных компонентов: выпрямителя, фильтра, микропроцессора и инвертора.

Выпрямитель имеет связку из диодов или тиристоров, которые выпрямляют исходный ток на входе в преобразователь. Диодные ПЧ характеризуются полным отсутствием пульсаций, являются недорогими, но при этом надежными приборами. Преобразователи на основе тиристоров создают возможность для протекания тока в обоих направлениях и позволяют возвращать электрическую энергию в сеть при торможении двигателя.

Фильтр используется в тиристорных устройствах для снижения или исключения пульсаций напряжения. Сглаживание производится с помощью ёмкостных или индуктивно-ёмкостных фильтров.

Микропроцессор – является управляющим и анализирующим звеном преобразователя. Он принимает и обрабатывает сигналы с датчиков, что позволяет регулировать выходной сигнал с преобразователя частоты встроенным ПИД-регулятором. Также данный компонент системы записывает и хранит данные о событиях, регистрирует и защищает аппарат от перегрузок, короткого замыкания, анализирует режим работы и отключает устройство при аварийной работе.

Инвертор напряжения и тока используется для управления электрическими машинами, то есть для плавного регулирования частоты тока. Такое устройство выдает на выходе «чистый синус», что позволяет использовать его во многих сферах промышленности.

Принцип работы частотного преобразователя - изображение 3

Принцип работы электронного частотного преобразователя (инвертора) заключается в следующих этапах работы:

  1. Входной синусоидальный переменный однофазный или трехфазный ток выпрямляется диодным мостом или тиристорами;
  2. При помощи специальных фильтров (конденсаторов) происходит фильтрация сигнала для снижения или исключения пульсаций напряжения;
  3. Напряжение преобразуется в трехфазную волну с определенными параметрами с помощью микросхемы и транзисторного моста;
  4. На выходе из инвертора прямоугольные импульсы преобразовываются в синусоидальное напряжение с заданными параметрами.

Дополнительные функции и параметры

  • Выходная частота или диапазон ее изменения. Тут все понятно. Этим параметром описываются возможности изменения частоты на выходе.
  • Пределы регулирования напряжения. Вопросов тоже не возникает.
  • Тип преобразования частоты. Может быть векторным и скалярным. Скалярный используется в более простых моделях. Параметры отслеживаются по соотношению напряжения и частоты. Векторный тип преобразования частоты в ЧМ подстраивает работу так, чтобы по отношению к нагрузке, момент вращения был постоянным. Такой способ управления более сложный и надежный, используется в более дорогих моделях.
  • Наличие ПИД-регулятора. Удерживает давление, температуру и скорость в заданных пределах (выставляются при помощи ручки или программируются). Для связи с другими средствами управления должен иметь сигнальные выводы (аналоговые и/или цифровые).
  • Юстировка скорости. Помогает при смене или скачках питания стабилизировать работу двигателя.Двухзвенные преобразователи частоты - фото 25
  • Вид торможения. Обычно рекомендуют останавливать мотор на свободном выбеге — отключить питание и ждать пока остановится. Может применяться плавное торможение — постепенное снижение напряжения. Механическое торможение — когда скорость вращения вала тормозится за счет силы трения. Быстрее всего останавливается ротор при динамическом торможении. В этом случае на одну из фаз подается постоянное напряжение. Оно взаимодействует с ротором, останавливая его за короткий промежуток времени.
  • Количество выходов с различными частотами. Такой частотный преобразователь для электромотора может обслуживать сразу несколько двигателей с различной (фиксированной) скоростью вращения.

Кроме параметров и дополнительных возможностей, на работу влияет качество сборки. Естественно, лучше брать оборудование известных производителей. Хорошо себя зарекомендовали ABB, Siemens, Mitsubishi, Omron. Но их частотники дешевыми назвать нельзя. Если нужно сэкономить и внешний вид не так важен, обратите внимание на отечественных и белорусских производителей. Внешнее оформление, как водится, желает быть лучше, а характеристики и стабильность работы неплохие.

Особенности эксплуатации двигателей с частотными преобразователями

  • При работе на сниженных оборотах возможен перегрев двигателя. Это происходит за счет снижения скорости естественного обдува. Особенно заметен перегрев на скоростях, близких к номинальным. Для снижения температуры в таком случае желательно использовать дополнительный обдув.
  • При работе стандартного электромотора (на 50 Гц) на повышенных скоростях вращения, стоит учитывать состояние подшипников. Из-за возникающей более сильной вибрации они быстрее выходят из строя. Для нивелирования этого явления можно использовать виброгасящие подкладки. Кроме того, частоту надо выбирать так, чтобы не возникало резонанса. И учтите: на повышенных скоростях шуметь вентилятор электромотора будет больше.Непосредственные преобразователи частоты - фотография 26
  • При снижении частоты вращения вала, для нормальной работы необходимо пропорционально снижать нагрузку. Асинхронный двигатель обеспечивает максимальный крутящий момент только на номинальной частоте вращения. Поэтому с уменьшением частоты, он падает.
  • Для длительной работы на сниженных оборотах используют электродвигатели со сниженной номинальной частотой — от 750 об/мин до 1500 об/мин. Второй вариант — двигатели с завышенной мощностью.
  • Если частотный преобразователь выбираете для погружного насоса, необходимо выбор делать не только по мощности, но и по току. У двигателей для этой категории насосов номинальный ток значительно выше. При большой длине кабеля от ПЧ до насоса, напряжение может значительно понижаться, что ведет к снижению скорости вращения вала электродвигателя. Чтобы падение было менее значительным, используют кабель с завышенным сечением проводников.

Сферы применения устройства

Принцип работы частотника - фото 58

Преобразователь частоты – это специальное устройства, которое устанавливается на мощные электродвигатели. Их главное предназначение - изменение частоты поступающего тока. Как известно, ток, который поступает из розетки имеет частоту, она равна 50 Гц. Для того чтобы ускорить или наоборот замедлить двигатель, эту частоту можно изменять. Роль, которую играет частотник – изменение частоты тока.

Самый яркий пример - это стиральные машины, они имеются у каждого в доме, для ускорения частоты вращения барабана частотник электродвигателя увеличивает частоту тока, чтобы уменьшить количество оборотов, производится обратное действие. Также их используют для плавного запуска мощных двигателей: современные частотники, могут изменять колебание тока от 1-800 Герц.

Принцип работы частотника

В основе работы частотника лежит инвертор с двойным преобразованием.

Принцип работы частотника - фото 59

Преобразователь работает по следующей схеме:

  • Вначале переменный синусоидальный ток (220-380 В), поступающий в инвертор выпрямляется. Для выпрямления используется диодный мост.
  • После ток поступает на группу конденсаторов, где он фильтруется и сглаживается.
  • Далее, мостовые ключи из биполярных транзисторов (IGBT, БТИЗ) и управляющие микросхемы принимают отфильтрованный ток и формируют из него трёх или однофазную широтно-импульсную модуляцию с требуемыми параметрами.
  • На выходе получается синусоидальный ток с уже изменёнными характеристиками, синусоидальность обеспечивается индуктивностью обмоток.

Применение в асинхронных двигателях

Принцип работы частотника - фото 60

Асинхронные двигатели превосходят по мощности и производительности обычные электродвигатели, но при этом они обладают рядом недостатков. Основным из них является необходимость увеличения номинальной мощности при запуске в 5-7 раз, а также то, что для регулирования скорости вращения ротора необходимо использовать специальные устройства. Увеличение потребляемой мощности при запуске порождает скачки внутри сети и ударные импульсы, в свою очередь, это негативно влияет на срок службы любого асинхронного двигателя.

Для решения всех проблем сразу был разработан асинхронный преобразователь частоты. Их использование удобно тем, что работа частотника происходит в автоматическом режиме, и поэтому контроль за токами происходит постоянно. Это устройство уменьшает пусковые токи, тем самым не создавая перегрузок в сети и не нанося вред двигателю, также он позволяет регулировать частоту вращения ротора. Отпадает необходимость в использовании магнитного пускателя. Главные плюсы частотника:

  • экономия электроэнергии;
  • увеличение долговечности двигателя;
  • возможность регулирования работы двигателя;
  • обеспечивает обратную связь смежных приводов.

В действительности, это настоящий генератор трехфазного напряжения, при помощи которого можно добиться нужной величины и частоты.

Основные составляющие прибора

В состав любого частотника входит четыре главных модуля:

  • выпрямитель;
  • блок фильтрации напряжения;
  • инверторный узел;
  • система управления на базе микропроцессора.

Все эти модули соединены блоком управления, он контролирует системы и отвечает за работу выходного каскада, выдаваемого инвертором. Современные устройства подобного типа также обладают определёнными защитными узлами, которые защищают его от превышения тока и коротких замыканий. Также они оборудованы датчиками слежения за температурой и прочими системами, позволяющими отслеживать отклонения от нормы при его работе.

Несмотря на то, что частотник должен выпрямлять ток и держать постоянную его частоту, полностью сгладить пульсации он не может, это связано с переменной составляющей и непостоянством тока в самой сети. Для того, чтобы полностью убрать эти колебания, используются катушки индуктивности и конденсаторы. Их подключение и настройка происходит, как правило, в системе частотного преобразователя. Катушка сглаживает ток, благодаря своему реактивному сопротивлению, в свою очередь, конденсатор, пропуская через себя ток, выдаёт не переменное, а постоянное напряжение.

Источники:

Понравилась статья? Расскажите друзьям:
Оцените статью, для нас это очень важно:
Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Оставить комментарий:

Отправить

Полезные сервисы:

Опрос: Насколько Вам помогла информация на нашем сайте? (Кол-во голосов: 1017)
Сразу все понял
Не до конца понял
Пришлось перечитывать несколько раз
Вообще не понял
Как я сюда попал?
Чтобы проголосовать, кликните на нужный вариант ответа. Результаты