Классификация преобразователей частоты

Преобразователи частоты предназначены для регулирования скорости вращения асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. По способу преобразования частоты, преобразователи подразделяются на непосредственные преобразователи частоты, состоящие из инвертора, преобразующего непосредственно синусоидальное напряжение промышленной частоты в переменное напряжение требуемой более низкой частоты, и преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока (ПЧПТ). В последних, синусоидальное напряжение промышленной частоты, с помощью управляемого или неуправляемого выпрямителя, сначала преобразуется в постоянное напряжение, затем инвертируется в переменное требуемой частоты (как, выше так и ниже от частоты сети) и амплитуды.

Благодаря простоте силовых цепей и цепей управления наибольшее распространение нашли преобразователи со звеном постоянного тока и неуправляемым выпрямителем. Блок схема силовой части преобразователи со звеном постоянного тока и неуправляемым выпрямителем, работающего на двигательную нагрузку показана на рис. 3.

Рисунок 3. Блок схема силовой части частотного преобразователя.

Преобразователь состоит из неуправляемого выпрямителя, собранного по трехфазной мостовой схеме, сглаживающего конденсатора, и инвертора.

Формирование величины выходного напряжения и его частоты производится инвертором, блоксхема которого показана на рис. 4.

Рисунок 4 — Блок-схема инвертора.

Благодаря сравнительной простоте системы управления, переменное напряжение требуемой величины и частоты, близкое по форме к синусоидальной формируется применением метода широтно-импульсной модуляции (ШИМ). На рис 3. показано формирование выходного напряжения одной фазы инвертора Uf, при частоте управляющего сигнала Uу 50 Гц и частоте пилообразного опорного сигнала Uо 2000 Гц. Достижение гладкой синусоидальной формы применением метода ШИМ не возможно. Не синусоидальность в форме выходного напряжения является причиной не синусоидальности формы кривых токов и как следствие пульсаций момента на валу. При низкой выходной частоте (малых скоростях вращения ротора), и малой инерционности нагрузки, эти пульсации могут привести к прерывистому характеру вращения ротора и повышенному шуму. Особенно резко эти пульсации проявляются при низких значения несущей частоты менее 3 кГц. С увеличением значения несущей частоты до 16 кГц, формы кривых напряжений и токов сильнее приближаются к синусоидальной, величины пульсаций момента уменьшаются, улучшаются шумовые характеристики.

Возможность установки различных значений несущей частоты является одним из критериев выбора преобразователя. Однако при высоких значениях несущей частоты проявляется ряд отрицательных эффектов. В первую очередь это связано с тем, что транзисторы обычно типа IGBT (биполярные с изолированным затвором), обладают односторонней проводимостью, что приводит к необходимости шунтирования их диодами Д, для обеспечения нормального протекания токов фаз. В определенные моменты времени ток фазы может протекать через диод Д при открытом транзисторе Т, что приводит к кратковременному образованию короткозамкнутых контуров и как следствие возникновение:

перенапряжений в обмотках двигателя, ухудшающих условия работы изоляции;

электромагнитного излучения высокой частоты, что может резко сказаться на работе радиотехнических устройств, установленных вблизи от преобразователя;

дополнительных источников тепла, что приводит к необходимости установки дополнительных теплоотводящих элементов.

Формы входных напряжений и токов также отличаются от синусоидальной. Искажения формы входного напряжения определяются мощностью цепи, и резко проявляются при работе преобразователя на маломощную сеть. Искажения формы кривой тока, являются следствием принципа работы выпрямителя, и связаны с периодической перезарядкой конденсатора.

Ослабление отрицательного влияния данных факторов достигается применением входных фильтров и выходных дросселей. Наличие фильтров, дросселей, встроенных в преобразователь, или поставляемых совместно с преобразователем, второй критерий выбора преобразователя.

Наличие высших гармонических в кривых токов и напряжений предопределяет использование развитых средств измерений, мониторинга и защиты преобразователя. Наиболее точные измерения в преобразователях предполагают многократное измерение мгновенных значений токов и напряжений и следовательно точную регистрацию бросков токов и напряжений, что обеспечивает наиболее полную защиту преобразователя от перенапряжений и сверхтоков.

Развитые средства измерений и контроль, как измеряемых, так и рассчитанных на их основе величин обеспечивают своевременное вмешательство в работу преобразователя и исключение выхода из строя как преобразователя, так и привода в целом, что также является критерием выбора преобразователя.