Преобразователь частоты

Частотные преобразователи с давних пор применяются в устройствах, обеспечивающих плавный запуск электродвигателей в работу. Помимо этого, с их помощью удаётся управлять частотными параметрами синхронных и асинхронных механизмов, работающих с самыми различными приводами. Это могут быть как специальные насосные и вентиляционные станции, так и всевозможные типы вспомогательных устройств, обеспечивающих транспортировку и перемещение грузов. Подключение самого преобразователя осуществляется по приведённой ниже схеме.

Схема подключения преобразователя

К преимуществам современных схем частотных преобразователей следует отнести:

• Экономичность потребления электроэнергии;
• Плавность запуска двигателя, позволяющая «смягчить» режим его функционирования с одновременным снижением как тепловых, так и механических потерь;
• Продление срока службы подвижных механизмов двигательного агрегата и входящего в его комплект привода.

Одной из наиболее распространённых разновидностей преобразователя частоты (его иногда называют частотник) является устройство, работающее на тиристорах.

Особенности преобразователей на тиристорах (ТПЧ)

Преобразователь частоты типа ТПЧ – это мощнее электротехническое устройство, в состав которого входит целый набор компонентов (включая тиристоры), способный управлять работой двигателя электронным способом. Благодаря этому подвижные части механизмов самого различного класса удаётся запускать в «мягком» режиме, а также менять частоту их вращения электронным способом.

Помимо этого, классический преобразователь частоты обеспечивает:

• Так называемый «подхват» двигателя с любого частотного вращательного режима;
• Энергосберегающее рекуперативное торможение;
• Большой пусковой момент при подключении к сети.

Кроме того, частотные преобразователи позволяют расширить исходный диапазон регулирования скорости вращения вала, а также обеспечивают независимость его от паразитных переходных процессов. Реализация всех перечисленных достоинств электронного (тиристорного) привода возможна лишь при условии правильного управления преобразованием сигнала. А это обеспечивается грамотным выбором соответствующей техническим требованиям схемы преобразователя.

В зависимости от количества входящих в устройство управляющих блоков, все известные преобразователи напряжение-частота на тиристорах (ПНЧ) могут выполняться по двум схемам, каждая из которых предполагает наличие 6-ти или 12-ти выпрямительных инверторов.

Выбор того или иного схемного решения, по которому предполагается изготовить преобразователь частоты, определяется потребностями текущего технологического цикла и зависит от предполагаемой загруженности оборудования.

Рассмотрим особенности каждой из упомянутых схем более подробно.

Преобразователь на 6-ти диодах

Со схемой 6-ти импульсного электронного преобразователя напряжение-частота (ПНЧ) можно ознакомиться на приводимом ниже рисунке.

Частотный преобразователь на 6-ти тиристорах

При работе такого инвертора в статорной обмотке электродвигателя протекает ток, содержащий большое количество гармоник, приводящих к дополнительному её нагреву и существенному ограничению по мощности. Поэтому частотные преобразователи этого класса допускается применять лишь с учётом следующих ограничений:

• Они могут использоваться только в тех случаях, когда развиваемая на валу двигателя мощность при его длительной эксплуатации не превышает 80% от своего номинального значения;

• При эксплуатации вентильных систем, допускающих наличие в обмотке статора значительного числа высших гармонических составляющих. При этом условии схема с 6-ю тиристорами позволяет развивать полную мощность;
• В процессе пусковых испытаний не полностью загруженных синхронных машин. К ним можно отнести генераторы аккумулирующих станций (ГАЭС) или специальных газотурбинных установок (ГТУ).

В некоторых условиях эксплуатации оборудования частотные преобразователи – это единственно верный выбор, позволяющий осуществить первичный запуск и прокрутку вала мощного электрического двигателя.

Преобразователь на 12-ти тиристорах

Для длительного регулирования частоты вращения электродвигателей, работающих в предельных режимах (с мощностями от 10 до 105% от номинального значения) нужен частотный преобразователь, собранный по иной схеме.

В этом случае потребуются ПНЧ, в состав которых входят 12 тиристоров, совместно с двумя трансформаторными обмотками образующие ключевой инвертор (смотрите рисунок ниже).

Схема инвертора на 12-ти тиристорах

Собранный по такой схеме преобразователь частоты отличается сравнительно низким содержанием гармоник в сетевом и статорном токе и нуждается в использовании сложного в исполнении трансформатора с тремя обмотками.

Использование такого питания позволяет поднять КПД тиристоров по токовой составляющей и снизить число последовательно подключённых приборов. И в том, и в другом случае в цепях подключения ПНЧ к сетевому источнику устанавливается выключатель S1. Кроме того в выходных цепях присутствует трансформатор ТП1, который в соответствии с требованиями заказчика может иметь то или иное исполнение (без внешнего охлаждения и с масляным охладителем).

Для размещения всего комплекта аппаратуры (также по выбору заказчика) могут использоваться стандартные шкафы ШУ. Размещаемые в них системы могут управляться как с выносного пульта, так и посредством кнопок, размещённых на его лицевой панели.

Описание оборудования и особенности его конструкции

Основой любого частотного инвертора (общепринятое название – частотник) является высоковольтное устройство на основе тиристоров, в составе которого обычно имеется от двух до четырёх единиц преобразовательных мостиков. Помимо этого сюда же входят следующие обязательные элементы:

• Ограничители перенапряжения;
• Защитные предохранители;
• Датчики тока и напряжения;
• Модуль управления на основе оптронов.

В ВТУ используется модульный принцип построения электронных схем, рассчитанных на автономное питание и имеющих независимую систему управления по световому каналу.

Для этих целей используются специальные электронные компоненты, называемые оптронными, состоящие из обычного светодиода и чувствительного приёмника – фотоэлемента. За счёт подключения переключающих тиристоров через такие оптронные пары обеспечивается их гальваническая развязка по цепям управления.

Оптронные пары

Для повышения эффективности работы инвертора-частотника в состав тиристорного модуля вводится две (четыре) коммутирующие цепочки, а каждая из них включает ряд последовательных ячеек из тиристоров. Для предохранения от перегрева всех имеющихся в схеме тепловыделяющих компонентов, включая дроссели, тиристоры и демпфирующие резисторы, в ВТУ предусмотрена встроенная система охлаждения.

Система управления устройством, содержащая в своём составе целый набор оптронных ячеек, располагается на отдельно монтируемой плате. В качестве источников питания для этого модуля используются два мощных импульсных БП.

Самостоятельное изготовление ТПЧ

Принцип работы

Прежде чем собрать ТПЧ своими руками, следует внимательно ознакомиться со всем изложенным выше материалом.

Лишь после его изучения можно будет получить хотя бы приблизительное представление о том, для чего нужен этот модуль, и в чём состоят его трансформирующие функции.

Принцип работы частотного преобразователя коротко может быть представлен таким образом.

В основу функционирования ПНЧ заложен эффект двойной трансформации (инверсии) формы входного сигнала: сначала напряжение питающей сети 220 Вольт превращается в постоянное, а оно затем – в импульсный управляющий сигнал нужной частоты.

Порядок функционирования устройства может быть представлен так:

• Во входном узле сетевое напряжение попадает на обычный выпрямитель, отсеивающий все гармоники, за исключением импульсных составляющих;
• Для устранения пульсаций в частотные преобразователи вводится фильтрующая схема, включающая в свой состав набор из конденсаторов и индуктивности (вместе они образуют LC-фильтр).

LC-фильтр

Затем выпрямленный сигнал поступает непосредственно на сам преобразователь частоты, то есть мостовую трехфазную схему из шести (двенадцати) силовых тиристоров с дополнительными защитными диодами, включёнными в обратной полярности.

Этот транзистор обычно совмещается с мощным резистором, способным рассеивать излишки энергии, образующиеся при режиме торможения двигателя. Подобный схемный подход позволяет ограничить действующие в общей схеме напряжения и защитить фильтрующие конденсаторы от пробоя.

Сборка

Самодельный преобразователь напряжение-частота или частотник может быть изготовлен на основе готового тиристорного блока (инвертора), включающего в свой состав как минимум 6 управляемых элементов. Такие блоки иногда предлагаются специализированными сервисами, занимающимися рассылкой радиоэлектронных полуфабрикатов.

Таким образом, для получения полноценного преобразующего устройства необходимо будет подготовить следующие обязательные узлы:

• Входной выпрямительный блок;
• Комплект фильтрующих элементов (ёмкости с номиналом не менее 500 микрофарад, рассчитанные на напряжение 300 Вольт, и дроссель с большой величиной индуктивности);
• Готовое инверторное устройство, подходящее для управления частотой подключаемого к нему электродвигателя.

Готовый модуль частотного инвертора

Для изготовления выпрямительного блока потребуются силовые кремниевые диоды с прямым напряжением не менее 400 Вольт и токами, определяемыми мощностью электродвигателя (обычно не менее 20 Ампер). Они размещаются на специальных радиаторах с надёжным тепловым отводом и включаются по мостовой схеме. Фильтрующие элементы схемы (конденсаторы) устанавливаются на отдельной плате и подключаются параллельно выходу выпрямительного мостика (для качественной фильтрации может потребоваться от 2-х до 5-ти конденсаторов).

В готовом инверторном блоке (имеется в виду сам частотник) рекомендуется произвести небольшую доработку, состоящую в переносе всех установленных на ней тиристоров на отдельные радиаторы, закрепляемые на корпусе прибора.

Для окончательной сборки всего преобразователя в единый комплекс потребуется металлический корпус. Его общая площадь должна быть достаточной для того, чтобы разместить на ней всю систему теплоотводящих радиаторов.

В заключении отметим, что самый сложный момент в понимании, что это такое преобразователь частоты состоит в том, чтобы проникнуться сутью самого процесса трансформации. Она сводится к воздействию на выходной управляющий модуль стороннего сигнала, меняющего пропускную способность инвертора, собранного на основе мощных тиристоров. Следствием этого является плавное изменение частоты вращения нагруженного на частотник двигателя со всеми вытекающими из этого последствиями.

Видео