Глибокий аналіз конструктивних особливостей частотних перетворювачів

Почнемо аналітику з базових понять. Отже, перетворювач частоти (ПЧ) – це електротехнічний пристрій, що застосовується для забезпечення контролю за моментом обертання і швидкістю обертання електричного двигуна змінного струму. Вплив на ці параметри здійснюється за допомогою зміни напруги і частоти електричного імпульсу.

Частотники трудяться в багатьох промислових областях, задіюються в складі альтернативного транспорту. Якщо говорити про конкретні приклади, то в якості таких варто розглянути.

1. Вантажопідйомні машини і крани. Так як кранові силові установки працюють в режимі постійних пусків, без ПЧ їм не обійтися. Частотники згладжують ривки, забезпечують точне гальмування і сприяють зниженню перегріву двигуна.
2. Конвеєри, ліфти, транспортери. Наявність перетворювача в конвеєрних ланцюгах продовжує термін служби механічних вузлів.
3. Димосмоки, нагнітачі. Сприяє досягненню граничного ККД агрегатів.
4. Електродвигуни верстатів. Плавне нарощування і зниження частоти обертання, реверс.

Впровадження ПЧ призводить до помітного економічного ефекту: скорочення споживання електроенергії, застосування більш доступних силових установок, зниження витрат на ремонт двигунів. Згідно зі спостереженнями період окупності частотників становить від 3-х місяців до 3-х років.

Завершимо цей блок коротким порівнянням однофазних і трифазних перетворювачів. Різниця криється в типі вихідної напруги. Так, однофазний частотний перетворювач підключається за схемою трикутник до побутової мережі 220 В. Таке підключення мінімізує втрату номенклатурної потужності системи. Трифазні прилади на виході формують мостову схему зі змінною частотою. Переваги однофазних ПЧ: компактні розміри, економне витрачання енергоресурсу, великий діапазон регулювання моменту обертання. Переваги трифазних рішень: максимальне значення ККД, гнучке регулювання швидкості обертання, м'який пуск і зупинка двигуна. 

З яких компонентів складається частотник?

Основні блоки частотника: мікропроцесор, випрямляч, інвертор, фільтри. Випрямляч складається з тандему тиристорів і діодів. Завдання цього блоку – випрямлення вхідного сигналу. Для діодних приладів характерна відсутність пульсацій, висока надійність, прийнятна ціна. Тиристорні пристрої контролюють вхідні і вихідні сигнали, а також забезпечують рекуперацію (повернення енергії назад в мережу при гальмуванні ротора).

За допомогою індуктивно-ємнісних і ємнісних фільтрів очищується сигнал від пульсацій напруги.

Мікропроцесор виступає головним керуючим блоком, який обробляє сигнали, і видає потрібні команди за допомогою ПІД-регулятора. Друга функція процесора – збереження даних про здійсненні операції, отримані сигнали. У разі перевантаження або КЗ, від мікропроцесора надходить команда про припинення роботи пристрою.

Інвертор напруги регулює частоту сигналу, роблячи це м'яко і акуратно. На виході отримуємо «чисту синусоїду».

Методи модуляції форми сигналів в частотниках

Еволюція розвитку перетворювачів частоти не залишила осторонь такий аспект, як поліпшення форми сигналу. Головним завданням протягом десятиліть було досягти найкращої форми хвилі з мінімально можливими втратами потужності.

Підбір відповідного способу модуляції також дозволив вирішити ряд другорядних завдань. Були зменшені синфазні перешкоди, пульсація вхідного струму, знижена швидкість приросту напруги.

В результаті сьогодні у людства є цілих чотири методи модуляції: широтно-імпульсна (ШІМ), гармонійна, просторово-векторна (ПВМ), частотне перемикання.

Поділ інверторів в залежності від рівнів перетворення

На поточний момент застосовуються рішення з дворівневим, трирівневим і багаторівневим принципом перетворення струму.

Дворівневі інвертори складаються з двох ключів і одного конденсатора. Сигнал створює тільки два робочих стану вихідної напруги, в залежності від з'єднання з позитивною або негативною шиною.

Трирівневі прилади з нейтральною точкою мають рівний поділ завдяки двом конденсаторам. Це дозволяє підключати фазу до позитивної напруги, середньої точки або негативної лінії. У трирівневих приладах задіються високовольтні тиристори і транзистори IGBT.

Багаторівневі перетворювачі діляться на два підтипи: побудовані на силових осередках, підключених за схемою Н-міст, і на перетворювачі з плаваючими конденсаторами.

Вибір ПЧ і розрахунок економічного ефекту

Купуючи трифазний частотний перетворювач, насамперед потрібно зрозуміти, з якими навантаженнями буде пов'язана його робота. Також слід взяти до уваги крутний момент електродвигуна, розкид швидкісних режимів, умови навколишнього середовища.

• Режим управління підбирається під характеристики навантаження.
• Захист приладу також важливий. Цей параметр безпосередньо пов'язаний з монтажним середовищем. Значення має: температура, вологість повітря, наявність пилу, їдких газів та інших факторів забруднення.
• Показники крутного моменту: з постійною потужністю або гідравлічним навантаженням.

При виборі ПЧ не варто скидати з рахунків і економічний ефект від придбання пристрою. Очевидна користь може бути досягнута за рахунок економії електричної енергії. Істотних показників економії вийде досягти при використанні пристрою з функцією плавного старту.

Економічний ефект розраховується для кожної установки окремо. Навіть незначний підйом ККД в 1-2% вже вважається хорошим досягненням, так як скорочує окупність на кілька років.