Частотный преобразователь: принцип работы и построение схемы

Электрические двигатели, в том числе трехфазные асинхронного типа, получили широкое распространение в разнообразных сферах деятельности. Рабочий цикл агрегатов связан с плавным их запуском и аналогичным способом остановки. Для решения проблемы управления частотой тока и скоростью двигателя применяются частотные преобразователи.

Назначение и достоинства

Электромагнитные силы, образующиеся под влиянием магнитного поля, создаваемого якорной обмоткой, приводят ротор в движение. Его вращение происходит с числом оборотов, которое задается частотой сетевого тока. При частоте в 50 Гц происходит 50 колебаний в течение 1 с. Следовательно, скорость вращения ротора составит 2019 об./мин.

Назначение частотных преобразователей состоит в том, чтобы посредством изменения параметров частоты тока обеспечить эффективное управление двигателем.

Достоинствами этих приспособлений являются:

  • обеспечение плавности работы мотора в момент пуска и торможения;
  • регулирование работой двигателей, собранных в группу;
  • отсутствие необходимости применения редукторов и иных механических устройств для управления скоростью движка;
  • обеспечение работы систем управления приводами на многофункциональной основе;
  • возможность корректировок в настойках без прерывания работы агрегата.

Разновидности устройств

В зависимости от конструктивных особенностей выделяют основные типы частотных преобразователей 220/380 – индукционные и электронные. К первому варианту относят асинхронные разновидности электрических двигателей, особенностью которых является применение схемы с фазным ротором.

При этом они имеют возможность работать в режиме генератора. Однако они не сильно распространены в практике, поскольку у них невысокий КПД и низкая эффективность.

А вот электронный вариант может быть использован как при функционировании асинхронных движков, так и модификаций синхронного вида. Управление двигателями производится несколькими принципиально различающимися способами:

Посредством скалярного управления, исходя из линейных закономерностей. В этом случае учитывается пропорциональная зависимость амплитуды от частоты. Если частота меняется, то амплитуда входного напряжения также будет изменяться. В результате это влияет на крутящий момент, КПД, и уровень мощности.

Задание равномерности момента нагрузки обеспечивается постоянством соотношения амплитуды с выходной частотой. Преобразующее устройство и формирует указанное равновесие.

При векторном подходе момент нагрузки постоянен при любых пределах частотных изменений. Это позволяет получить большую точность регулирования. Возрастает и гибкость реагирования электропривода на скачки в выходной нагрузке. Частотный преобразователь для асинхронного двигателя обеспечивает постоянный контроль над моментом вращения.

Важно помнить, что фаза тока статора, которая меняется под действием магнитного поля, и представляет собой вектор тока. Он управляет моментом вращения. Таким образом, в этом случае используется амплитудная или широтно-импульсная система регулировки сигнала.


Конструктивное исполнение

Существуют разные виды частотных преобразователей для двигателя. Но при этом конструктивно можно выделить отдельные типичные блоки. Данные компоненты тесно связаны между собой. Блок управления определяет работу выходного каскада.

При этом определяющую роль играет возможность изменения параметров тока переменного типа. Дополнительно в устройстве предусматриваются системы защиты, находящиеся под контролем микроконтроллера.

Выпрямитель представляет собой первый модуль. Через него происходит движение тока. Здесь происходит изменение переменного тока. При помощи диодов он преобразуется в постоянный. Можно подобрать модели для однофазной сети или для трехфазного питания. В них будет отличаться число диодов.

Постоянное напряжение с высокими пульсациями выходит из выпрямителя. Чтобы сгладить пульсации применяются конденсатор и индуктивная катушка. А вот процесс преобразования параметров выходящего тока происходит в инверторе.

Конструктивно в нем содержатся транзисторы. Их 6 штук — по паре для каждой фазы. А микропроцессорная система гарантирует управление скоростными показателями роторного вращения. Все это можно увидеть на фото частотного преобразователя.

Особенности подключения

Устройства, предназначенные для управления частотой, могут функционировать в условиях подключении однофазного типа или за счет трехфазного электропитания. При эксплуатации источников постоянного тока, которые имеют напряжение в 220 В, то они могут также использоваться для подключения инверторов.

Модификации трехфазного типа ориентированы на сетевое напряжение 380 В. Они направляют его на двигатель. Питание однофазных инверторов ведется от сети 220 В. На выходе они создают три фазы, которые распределены по временному параметру.

Если вас интересует вопрос, как подключить частотный преобразователь, то можно выделить две принципиальные схемы. По принципу «звезда» обустраиваются обмотки под преобразователь, который подпитывается от сети с напряжением 380 В. Если же подключение идет к однофазной сети 220 В, то применяется схема «треугольник».

При этом следует учитывать параметр соответствия мощности двигателя с возможностями инвертора. Перегружать преобразователь нельзя. Наоборот, целесообразно иметь некоторый запас по мощности.

На первом этапе подключения перед устройством монтируется автоматический выключатель с номиналом, который совпадает с рабочими характеристиками тока, потребляемого двигателем. Если инструкция как настроить частотный преобразователь, была соблюдена полностью, то фазные проводники подведены к заданным контактам двигателя.

Преобразующее приспособление должно подсоединяться к контроллеру. Также требуется подключение и к пульту. Вначале проверьте положение рукоятки – нейтральное. Затем надо запустить автомат. При соответствии процесса нормативам наблюдается световая индикация.

Небольшой поворот рукоятки приведет к активизации вращения двигателя. Кнопка реверса позволяет задать обратное направление вращения. Чтобы настроить нужную частоту, следует произвести регулировку ручкой. В последующем работа преобразователя позволит более эффективно эксплуатировать оборудование с электродвигателем.

Фото частотных преобразователей


Ротор электродвигателя начинает свое вращение с помощью электромагнитных сил от вращающегося магнитного поля, вызванного обмоткой якоря. Число оборотов определяется частотой тока в сети. Стандартное значение частоты тока составляет 50 герц. Это означает, что 50 периодов колебаний совершается за 1 секунду. В минуту число колебаний составит 50 х 60 = 3000. Значит, ротор будет вращаться 2019 оборотов в минуту.

Если научиться изменять частоту тока, то появится возможность регулировки скорости двигателя. Именно по этому принципу действуют частотные преобразователи.

Современное исполнение преобразователей частоты выглядит в виде высокотехнологичного устройства, состоящего из полупроводниковых приборов, совместно с микроконтроллером электронной системы. С помощью этой системы управления изменяются важные параметры электродвигателя, например, число оборотов.

Изменить скорость привода можно и с помощью механического редуктора шестеренчатого типа, либо на основе вариатора. Но такие механизмы имеют громоздкую конструкцию, их нужно обслуживать. С использованием частотника (инвертора) снижается расход на техническое обслуживание, повышается функциональность привода механизма.

Виды

По конструктивным особенностям частотные преобразователи делятся:

  • Индукционные.
  • Электронные.

Электродвигатели асинхронного типа с фазным ротором, подключенные в режим генератора, представляют подобие индукционного частотного преобразователя. Они имеют малые КПД и эффективность. В связи с этим такие виды преобразователей не нашли популярности в использовании.

Электронные виды частотников дают возможность плавного изменения оборотов электродвигателей.

При этом реализуются два возможных принципа управления:

  1. По определенной зависимости скорости от частоты тока.
  2. По способу векторного управления.

Первый принцип самый простой, но не совершенный. Второй принцип применяется для точного изменения оборотов двигателя.

Конструктивные особенности

Рис. 1

Частотные преобразователи имеют в составе основные модули:

  • Выпрямитель.
  • Фильтр напряжения.
  • Инверторный узел.
  • Микропроцессорная система.

Все модули связаны между собой. Действие выходного каскада (инвертора) контролирует блок управления, с помощью которого меняются свойства переменного тока. Частотный преобразователь для электромотора имеет свои особенности. В его состав входит несколько защит, управление которыми осуществляется микроконтроллером. Например, проверяется температура полупроводников, работает защита от превышения тока и короткого замыкания. Частотник подключается к сети питания через устройства защиты. Для запуска электродвигателя не нужен магнитный пускатель.

Выпрямитель

Это первый модуль, по которому проходит ток. Он преобразует переменный ток в постоянный, благодаря полупроводниковым диодам. Особенностью частотника является возможность его питания от однофазной сети. Разница в конструкции состоит в разных типах выпрямителей.

Если мы говорим про однофазный частотник для двигателя, то нужно использовать в выпрямителе четыре диода по мостовой схеме. При трехфазном питании выбирается схема из шести диодов. В итоге получается выпрямление переменного тока, появляется два полюса: плюс и минус.

Фильтр напряжения

Из выпрямителя выходит постоянное напряжение, которое имеет значительные пульсации, заимствованные от переменного тока. Для их сглаживания используют такие элементы, как электролитический конденсатор и катушка индуктивности.

Катушка имеет много витков, и обладает реактивным сопротивлением. Это дает возможность сглаживать импульсы тока. Конденсатор, подключенный к двум полюсам, имеет интересные характеристики. При прохождении постоянного тока он в силу закона Киргофа должен быть заменен обрывом, как будто между полюсами ничего нет. При прохождении переменного тока он должен быть проводником, то есть, не иметь сопротивления. В результате доля переменного тока замыкается и исчезает.

Инверторный модуль

Это узел, имеющий наибольшую важность в преобразователе частоты. Он изменяет параметры тока выхода, состоит из шести транзисторов. Для каждой фазы подключены по два транзистора. В каскаде инвертора применяются современные транзисторы IGBT.

Если изготавливать частотные преобразователи своими руками, то необходимо выбирать элементы конструкции, исходя из мощности потребления. Поэтому нужно сразу определить тип электродвигателя, который будет питаться от частотника.

Микропроцессорная система

В самодельной конструкции не получится добиться таких параметров, имеющихся у заводских моделей, так как в домашних условиях сделать управляющий модуль сложно. Дело не в пайке деталей, а в создании программы для микроконтроллера. Простой способ – это сделать управляющий блок, которым можно регулировать обороты двигателя, осуществлять реверс, защищать двигатель от перегрева и перегрузки по току.

Чтобы изменить обороты мотора, нужно применить переменное сопротивление, подключенное к вводу микроконтроллера. Это устройство подает сигнал на микросхему, которая производит анализ изменения напряжения и сравнивает его с эталоном (5 вольт). Система действует по алгоритму, который создается до начала создания программы. По нему действует микропроцессорная система.

Приобрели большую популярность управляющие модули Siemens. Частотные преобразователи этой фирмы надежны, могут применяться для любых электродвигателей.

Принцип действия

Основа работы инвертора состоит в двойном изменении формы электрического тока.

Напряжение подается на блок выпрямления с мощными диодами. Они удаляют гармонические колебания, однако оставляют импульсы сигнала. Чтобы их удалить, подключен конденсатор с катушкой индуктивности, образующие фильтр, который стабилизирует форму напряжения.

Далее, сигнал идет на частотный преобразователь. Он состоит из шести мощных транзисторов с диодами, защищающими от пробоя напряжения. Ранее для таких целей применялись тиристоры, но они не обладали таким быстродействием, и создавали помехи.

Чтобы подключить режим замедления мотора, в схему устанавливают транзистор управления с резистором, который рассеивает энергию. Такой способ дает возможность удалять образуемое двигателем напряжение, чтобы защитить емкости фильтра от выхода из строя вследствие перезарядки.

Метод управления векторного типа частотой инвертора дает возможность создания схемы, которая автоматически регулирует сигнал. Для этого применяется управляющая система:

  • Амплитудная.
  • Широтно-импульсная.

Амплитудная регулировка работает на изменении напряжения входа, а ШИМ – порядка действия переключений транзисторов при постоянном напряжении на входе.

При регулировании ШИМ образуется период модуляции, когда обмотка якоря подключается по очереди к выводам выпрямителя. Так как тактовая частота генератора высокая и находится в интервале 2-15 килогерц, то в обмотке мотора, имеющего индуктивность, осуществляется сглаживание напряжения до нормальной синусоиды.

Принцип подключения ключей на транзисторах

Каждый из транзисторов включается по встречно-параллельной схеме к диоду (Рис. 1). Через цепь транзистора протекает активный ток электродвигателя, реактивная часть поступает на диоды.

Чтобы исключить влияние помех на действие инвертора и электродвигателя, в схему подключают фильтр, который удаляет:

  • Радиопомехи.
  • Помехи от электрооборудования.

Об их образовании дает сигнал контроллер, чтобы снизить помехи, применяются экранированные провода от двигателя до выхода инвертора.

Чтобы оптимизировать точность функционирования асинхронных двигателей, в цепь управления инверторов подключают:

  • Ввод связи.
  • Контроллер.
  • Карта памяти.
  • Программа.
  • Дисплей.
  • Тормозной прерыватель с фильтром.
  • Охлаждение схемы вентилятором.
  • Прогрев двигателя.
Схемы подключения

Частотные преобразователи служат для работы в 1-фазных и 3-фазных сетях. Но если имеются промышленные источники питания на 220 вольт постоянного тока, то инверторы также можно подключать к ним.

Частотные преобразователи для 3-фазной сети рассчитаны на 380 вольт, их подают на мотор. 1-фазные частотники работают от сети 220 вольт, выдают на выходе 3 фазы. Частотник может подключаться к электродвигателю по схеме звезды или треугольника.

Обмотки мотора соединяются в «звезду» для частотника, работающего от трех фаз 380 вольт.

Обмотки двигателя соединяют «треугольником», когда инвертор запитан от 1-фазной сети.

При выборе метода подключения электродвигателя к частотнику необходимо определить мощности, которые создает двигатель на разных режимах, в том числе и медленный режим, тяжелый запуск. Преобразователь частоты нельзя эксплуатировать с перегрузкой длительное время. Его мощность должна быть с запасом, тогда работа будет без аварий, и срок службы продлится.

Применение

Частотные преобразователи используются в устройствах с необходимостью регулировки скорости двигателя.

  • Приводы насосов. Уменьшает потери тепла и воды на 10%. Снижает количество аварий, защищает электродвигатели.
  • Вентиляционные системы. Экономия больше, чем при работе с насосами, так как для запуска мощных вентиляторов применяют мощные приводы агрегатов. Экономия появляется за счет снижения потерь на холостом ходу.
  • Транспортеры. Инверторы адаптируют скорость двигателя к скорости технологической системы, которая постоянно изменяется. Мягкий пуск повышает ресурс привода системы, так как нет ударных нагрузок, которые вредят оборудованию.
  • Компрессоры.
  • Дымососы.
  • Центрифуги.
  • Лифтовое оборудование.
  • Оборудование в деревообработке.
  • Робототехника.
Преимущества
  • Сглаживание работы мотора при запуске и торможении.
  • Возможность управления группой двигателей.
  • Плавное управление скоростью электродвигателей, без использования редукторов и других механических систем. Это позволяет упростить управление, сделать его дешевле и надежнее.
  • Используются совместно с асинхронными двигателями для замены приводов постоянного тока.
  • Образование многофункциональных систем управления приводами.
  • Изменение настроек непосредственно в работе, без останова.
Похожие темы:
  • Устройства плавного пуска
  • Диммеры (Dimmer)
  • Диммеры для светодиодных лент. Виды
  • Автотрансформаторы (ЛАТР). Типы и особенности. Принцип работы