Все электромеханические устройства нуждаются в наличии источника, который будет приводить в движение весь механизм. Зачастую для этого используется электродвигатель, как самый лучший вариант. Он обеспечивает вращательным движением весь агрегат. Из различных видов электродвигателей зачастую используется асинхронный двигатель переменного тока. Он может обеспечить длительную и бесперебойную работу с минимальными потерями и максимальной эффективностью. Но для этого потребуется электродвигатель правильно подключить, что сейчас делается через преобразователь частоты.
 |
До появления более совершенных и производительных способов подключения асинхронных двигателей использовалось смещение частот тока, питающего электродвигатель, при помощи добавления ёмкости большого размера. Но это несло несколько больших проблем, среди которых основными являются невозможность полностью контролировать работу электродвигателя, потеря производительности и увеличение износа. Поэтому электродвигатель наждался в дополнительном охлаждении из-за сильного нагрева и требовал достаточно частого ремонта. Теперь же применяемый для его подключения частотный преобразователь открыл большие перспективы в использовании асинхронных двигателей.
Принцип работы преобразователя частоты
Преобразователь частоты и предназначен для изменения частоты вращения и уровня выходного напряжения. Помимо основных параметров меняются мощность и крутящий момент подключенного асинхронного электродвигателя. Любой преобразователь частоты состоит из трех основных звеньев:
- Выпрямитель на базе диодного моста;
- Звено постоянного тока с конденсаторным фильтром:
- Инвертор на IGBT транзисторах.
 |
На рисунке выше представлена принципиальная схема инвертора частоты. Принцип работы преобразователя частоты очень похож на работу источника бесперебойного питания с двойным преобразованием. Фактически, основное различие между ними состоит в том, что контроллер источника бесперебойного питания поддерживает установленное выходное напряжение и частоту независимо от уровня потребляемого тока нагрузкой. В преобразователе частоты эти параметры могут меняться оператором и тем самым достигается изменение скорости вращения и крутящего момента электродвигателя. Хотя каждый преобразователь частоты имеет свою принципиальную схему, базовая конструкция остается неизменной. Звено выпрямителя состоит из набора быстродействующих диодов, которые преобразуют переменное напряжение в постоянное. Промежуточный контур состоит из шины постоянного тока, где основными элементами являются электролитические конденсаторы для стабилизации и сглаживания пульсаций выпрямителя. Напряжение шины постоянного тока, в зависимости от конструкции, примерно в 1,414 раза превышает входное переменное напряжение. Выпрямленное напряжение поступает на инвертор, который преобразует его синусоидальные импульсы определенной частоты и амплитуды. Выходное напряжение инвертора не имеет истинную синусоидальную форму. Если взглянуть на осциллограмму то можно увидеть широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Быстродействующие полевые IGBT транзисторы инвертора генерируют импульсы напряжения постоянной величины, пропорционально напряжению шины постоянного тока. В трехфазном преобразователе частоты имеются шесть транзисторов, по паре для каждой фазы. В каждой транзисторной паре один транзистор генерирует положительную амплитуду синусоиды, а второй - отрицательную. Чем дольше транзистор находится в открытом состоянии, тем выше выходное напряжение; и наоборот, чем дольше транзистор закрыт, тем оно ниже. Время импульса называется шириной импульса. Скорость переключения транзисторов, называется несущей частотой. Когда несущая частота увеличивается, соответствующий выходной сигнал имеет более высокое разрешение, соответственно синусоида выходного напряжения приобретает правильную форму. Синусоидальное напряжение правильной формы позволяет улучшить характеристики крутящего момента электродвигателя на низкой скорости, снижается шум, а вал вращается равномерно без рывков. Кроме того, высокая несущая частота имеет высокий потенциал динамического отклика электродвигателя.
 |
В конструкциях инверторов прошлого поколения в качестве переключающих компонентов использовались кремниевые тиристоры или биполярные транзисторы. Эти элементы могут работать в диапазоне от 250 до 500 Гц, в то время как BJT работают в диапазоне от 1 до 2 кГц. В большинстве современных преобразователей частоты применяются биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). IGBT транзисторы могут включаться и выключаться с гораздо более высокой частотой, вплоть до 20 кГц. Высокая несущая частота имеет ключевые преимущества перед устаревшими тиристорными инверторами.
Что такое преобразователь частоты и его преимущества
Преобразователь частоты, который ещё называют частотным инвертором, работает на основе изменения частотных характеристик питающего тока и его амплитуды. Работа на этих принципах позволяет получить большие преимущества при использовании асинхронных двигателей перед всеми остальными.
- Большие возможности регулирования скорости вращения. Преобразователь частоты позволяет изменять скорость вращения электродвигателя в больших диапазонах. Благодаря этому можно осуществлять регулирование в широком диапазоне скоростей и с большой точностью. Такая возможность открыла большие перспективы в управлении множеством процессов при глубокой автоматизации технологических процессов. частотный преобразователь позволил встроить электродвигатель в механизмы, требующие тонкой регулировки и чувствительного управления. Ни были внедрены на многие производства.
- Повышенная чувствительность управления. В технологическом процессе плавная регулировка скорости вращения определяет далеко не всё. Преобразователь частоты помогает не только увеличить скорость на нужное значение, но и быстро её снизить. Благодаря устройству частотного преобразователя появилась возможность при необходимости быстро затормозить электродвигатель, снизив его скорость до необходимого значения без вреда для двигателя, питающей электросети и связанных с ним устройств. В большинстве технологических процессов это имеет критическое значение.
- Частотный преобразователь позволяет снизить нагрузку на питающую электросеть при пуске и остановке двигателя. Запуск двигателя, который обычно создаёт большую нагрузку как на сам электродвигатель, так и на электрическую сеть, сопровождается скачками напряжения и тока во всей питающей электросети. Это увеличивает нагрузку на все электроприборы и может привести к повреждению наиболее чувствительных из них. При помощи частотного преобразователя можно плавно запустить асинхронный электродвигатель, минимизировав перепады тока и напряжения.
- Одной из самых больших проблем, которые испытывают все высоконагруженные электродвигатели, является быстрый износ обмоток. частотный преобразователь помогает смягчить условия работы электродвигателя, значительно продлевая срок его эксплуатации. Щадящий режим использования, который получается при снижении как пусковых, так и рабочих токов, помогает снизить нагрузку на обмотки электродвигателя, уменьшить их нагрев и снизить износ. Асинхронные двигатели при этом могут дольше работать, не требуя при этом существенного ремонта.
- Современный частотный преобразователь может управляться удалённо, при помощи диспетчерского пульта. Это позволяет организовать централизованное управление всеми протекающими процессами из одного места. Такая возможность также используется, когда преобразователь по каким-либо причинам невозможно установить непосредственно рядом с двигателем.
Преобразователь частоты выбирается в соответствии с мощностью электродвигателя, для которого он предназначен, и в зависимости от пиковых нагрузок, возможных в процессе использования. Преобразователи могут существенные перегрузки, возникающие в ходе эксплуатации, но в случаях, если они могут быть длительными, потребуются более мощные устройства.
Правильно подключив асинхронный двигатель, можно увеличить его управляемость, значительно увеличить энергоэффективность его использования, в также снизить затраты на обслуживание и ремонт. |
