ГЛУБОКИЙ АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ЧАСТОТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Начнем аналитику с базовых понятий. Итак, преобразователь частоты (ПЧ) – это электротехническое устройство, применяемое для обеспечения контроля за моментом вращения и скоростью вращения электрического двигателя переменного тока. Воздействие на эти параметры осуществляется при помощи изменения напряжения и частоты электрического импульса. 

Частотники трудятся во многих промышленных областях, задействуются в составе альтернативного транспорта. Если говорить о конкретных примерах, то в качестве таковых стоит рассмотреть.

1. Грузоподъемные машины и краны. Так как крановые силовые установки работают в режиме постоянных пусков, без ПЧ им не обойтись. Частотники сглаживают рывки, обеспечивают точное торможение и способствуют снижению перегрева двигателя.
2. Конвейеры, лифты, транспортеры. Наличие преобразователя в конвейерных цепях продлевает срок службы механических узлов.
3. Дымососы, нагнетатели. Способствует достижению предельного КПД агрегатов.
4. Электродвигатели станков. Плавное наращивание и снижение частоты вращения, реверс. 

Внедрение ПЧ приводит к заметному экономическому эффекту: Сокращение потребления электроэнергии, применение более доступных силовых установок, снижение расходов на ремонт двигателей. Согласно наблюдениям период окупаемости частотников составляет от 3-х месяцев до 3-х лет.

Завершим этот блок кратким сравнением однофазных и трехфазных преобразователей. Различие кроется в типе выходного напряжения. Так, однофазный частотный преобразователь подключается по схеме треугольник к бытовой сети 220 В. Такое подключение минимизирует потерю номенклатурной мощности системы. Трехфазные приборы на выходе формируют мостовую схему с переменной частотой. Преимущества однофазных ПЧ: компактные размеры, экономное расходование энергоресурса, обширный диапазон регулировки момента вращения. Достоинства трехфазных решений: максимальное значение КПД, гибкая регулировка скорости вращения, мягкий пуск и остановка двигателя. 

Из каких компонентов состоит частотник? 

Основные блоки частотника: микропроцессор, выпрямитель, инвертор, фильтры. Выпрямитель состоит из тандема тиристоров и диодов. Задача этого блока – выпрямление входного сигнала. Для диодных приборов характерно отсутствие пульсаций, высокая надежность, приемлемая цена. Тиристорные устройства контролируют входящие и исходящие сигналы, а также обеспечивают рекуперацию (возвращение энергии обратно в сеть при торможении ротора). 

С помощью индуктивно-емкостных и емкостных фильтров очищается сигнал от пульсаций напряжения.

Микропроцессор выступает главным управляющим блоком, который обрабатывает сигналы, и выдает нужные команды посредством ПИД-регулятора. Вторая функция процессора – сохранение данных о производимых операциях, поступающих сигналах. В случае перегрузки или КЗ, от микропроцессора поступает команда о прекращении работы устройства.

Инвертор напряжения регулирует частоту сигнала, делая это мягко и аккуратно. На выходе получается «чистая синусоида».

Методы модуляции формы сигналов в частотниках

Эволюция развития преобразователей частоты не оставила в стороне такой аспект, как улучшение формы сигнала. Главной задачей на протяжении десятилетий было достичь наилучшей формы волны с минимально возможными потерями мощности. 

Подбор подходящего способа модуляции также позволил решить ряд второстепенных задач. Были уменьшены синфазные помехи, пульсация входного тока, снижена скорость прироста напряжения.

В итоге сегодня у человечества есть целых четыре метода модуляции: широтно-импульсная (ШИМ), гармоническая, пространственно-векторная (ПВМ), частотное переключение.

Разделение инверторов в зависимости от уровней преобразования 

На текущий момент применяются решения с двухуровневым, трехуровневым и многоуровневым принципом преобразования тока. 

Двухуровневые инверторы состоят из двух ключей и одного конденсатора. Сигнал создает только два рабочих состояния выходного напряжения, в зависимости от соединения с положительной или отрицательной шиной. 

Трехуровневые приборы с нейтральной точкой имеют равное разделение благодаря двум конденсаторам. Это позволяет подключать фазу к положительному напряжению, средней точке или отрицательной линии. В трехуровневых приборах задействуются высоковольтные тиристоры и транзисторы IGBT.

Многоуровневые преобразователи делятся на два подтипа: построенные на силовых ячейках, подключенных по схеме Н-мост, и на преобразователи с плавающими конденсаторами. 

Выбор ПЧ и расчет экономического эффекта 

Покупая трехфазный частотный преобразователь, первым делом нужно понять, с какими нагрузками будет сопряжена его работа. Также следует взять во внимание крутящий момент электродвигателя, разброс скоростных режимов, условия окружающей среды. 

• Режим управления подбирается под характеристики нагрузки.
• Защита прибора также важна. Этот параметр напрямую связан с монтажной средой. Значение имеет: температура, влажность воздуха, наличие пыли, едких газов и других факторов загрязнения.
• Показатели крутящего момента: с постоянной мощностью или гидравлической нагрузкой.

При выборе ПЧ не стоит сбрасывать со счетов и экономический эффект от приобретения устройства. Очевидная польза может быть достигнута за счет экономии электрической энергии. Существенных показателей экономии получится достичь при использовании устройства с функцией плавного старта. 

Экономический эффект рассчитывается для каждой установки. Даже незначительный подъем КПД в 1-2% уже считается хорошим достижением, так как сокращает окупаемость на несколько лет.