Преобразователи частоты (ПЧ)

Осуществляют преобразование электроэнергии переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты. Работа преобразователя и его характеристики в основном определяются схемой преобразователя.

От схемы преобразователя непосредственно зависят:

¾ параметры выходного напряжения;

¾ коэффициент мощности по входу и выходу;

¾ форма кривой тока, потребляемого из сети;

¾ внешняя (нагрузочная) характеристика;

¾ к.п.д.

При классификации ПЧ выделяют два основных класса:

1. Преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока;

2. Преобразователи с непосредственной связью питающей сети и цепей нагрузки.

Преобразователи с непосредственной связью подразделяются на преобразователи с естественной коммутацией тиристоров и с искусственной коммутацией.

5.1. Преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока.

Структурная и функциональная схемы ПЧ приведены на рисунке 52, 53.

В преобразователях данного класса частота выходного напряжения не зависит от частоты питающей сети и может быть как больше, так и меньше этой частоты.

Выпрямитель В обычно выполняется по трехфазной мостовой схеме, на выходе обычно устанавливают фильтр Ф.

Если звено АИ выполнено по схеме автономного инвертора напряжения, то необходимость в фильтре обусловлена также особенностью работы инвертора напряжения на активно-индуктивную нагрузку. При такой нагрузке должен происходить возврат энергии, накопленной в индуктивностях нагрузки, в источник постоянного тока через обратные диоды. Если выпрямитель обладает односторонней проводимостью, то функции приёмника возвращаемой энергии выполняет фильтр, имеющий в таком случае емкостной выход.

Если звено АИ выполнено по схеме инвертора тока, то фильтр Ф должен иметь индуктивный выход для обеспечения непрерывности инвертируемого тока.

В ПЧ с регулируемой в широком диапазоне частотой выходного напряжения, предназначенных для питания АД, звено АИ выполняется по схеме инвертора напряжения.

В ПЧ управлению подлежат две выходные координаты – амплитуда напряжения или тока нагрузки U_m, I_m и частота изменения напряжения или тока f_п (рис.53,а). Соответственно двум выходным координатам, ПЧ располагает двумя входными координатами – напряжением управления напряжением или током U_у,н; U_уТ и напряжением управления частотой U_у,f (рис.53,а).

На рисунке 53,б изображена функциональная схема ПЧ с автономным инвертором АИ (ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока).

Регулирование частоты выходных напряжений или тока ПЧ осуществляется инвертором. Функциональная схема системы управления показана на рисунке 54.

Схема включает в свой состав: задающий генератор ЗГ, преобразующий аналоговый сигнал управления U_у,f в колебания прямоугольной формы с частотой f_ЗГ, распределитель импульсов РИ, преобразующий колебания З Г в синхронизированную по частоте и фазе трёхфазную систему импульсов и распределяющий импульсы по шести каналам управления тиристорами инвертора. Формирователь управляющего импульса ВИ, формирующий импульс управления тиристором по длительности, форме и мощности.

АИ функционально отличается от выпрямителя только направлением преобразования. Напряжение или ток цепи постоянного тока преобразуется в трёхфазную систему переменного тока. Открывающие импульсы поступают на вентильную группу с фазовым сдвигом 60⁰ относительно один другого.

В отличие от УИ, в котором интервал проводимости λ = 120⁰, в АИ этот интервал в принципе может изменяться в пределах 0 < λ ≤ 180⁰.

Это объясняются различием в процессах коммутации тиристоров в УИ и АИ.

УИ – преобразователь с естественной коммутацией, поэтому в трёхфазной схеме в режиме непрерывных токов λ = 120⁰ = const.

АИ – преобразователь с искусственной коммутацией. В инверторах реализуется продолжительность открытого состояния тиристоров λ = 120⁰, 150⁰ и 180⁰.

Выходной мгновенный ток i_П в АИТ или мгновенная э.д.с. l_u в АИН имеет две формы: прямоугольную и пирамидальную.

5.2. Преобразователи с непосредственной связью (НПЧ).

Данный класс ПЧ характеризуется однократным преобразованием энергии. В структурном отношении НПЧ прост, его основу составляет реверсивный УИ постоянного тока.

Число фаз входного и выходного напряжение НПЧ является весьма существенным признаком их классификации, т.к. оно в значительной мере определяет структуру построения схемы преобразователя.

Рассмотрим принцип работы НПЧ с естественной коммутацией на примере трехфазно-однофазной схемы (рис. 77, а).

В схеме две группы тиристоров: группа I – катодная (Т1, Т2, Т3) и группа II – анодная (Т4, Т5, Т6). Допустим, что нагрузка Z_Н – активная.

Когда отпирающие импульсы подаются последовательно на тиристоры Т1, Т2, Т3 катодной группы, она работает в режиме выпрямления, по трехфазной схеме со средней точкой, формируя на нагрузке положительную полуволну напряжения относительно нулевого вывода трансформатора.

Импульсы поступают на тиристоры со сдвигом относительно линейных напряжений питающей сети на угол α.

При работе тиристоров Т4, Т5, Т6 анодной группы на нагрузке относительно нулевого вывода трансформатора формируется отрицательная полуволна напряжения.

В результате циклической работы групп I и II на нагрузке создаётся переменное напряжение с частотой основной гармоники f₂, более низкой, чем частота питающей сети f₁.

Для исключения постоянной составляющей в напряжении на нагрузке, времена работы анодной и катодной группы должны быть равны между собой.

На рисунке 77,б представлена диаграмма выходного напряжения. Тиристоры катодной группы вступают в работу только после спадания до нуля полуволны напряжения, формируемой анодной группой, и наоборот, т.к. нагрузка активна.

Тиристоры каждой группы коммутируют между собой через интервал времени π / 3.

Поэтому без учёта интервала коммутации длительность одной полуволны выходного напряжения:

,

где n – число участков синусоид в полуволне;

- угол, обусловленный спаданием до нуля заднего фронта полуволны выходного напряжения.

В общем случае при числе фаз питающей сети m_1, связь частот выходного и входного напряжения выражается соотношением .

Итак, частота выходного напряжения f₂ может принимать только дискретные значения при изменении числа n = 1, 2, 3,…

Для обеспечения плавного изменения частоты необходима пауза φ_П между окончанием работы предыдущей группы и началом работы последующей группы. В этом случае связь частот f₁ и f₂ будет определяться соотношением .

При активно-индуктивной нагрузке моменты прохождения через нуль выходного напряжения не соответствуют нулевым значениям токов нагрузки.

Для обеспечения протекания тока из цепи нагрузки в питающую сеть, соответствующую тиристорную группу переводят в инверторный режим.

Например, если группа I работала в выпрямительном режиме с углом α, то, начиная с определённого момента, импульсы группы I начинают поступать со сдвигом относительно напряжений питающей сети на угол β в сторону опережения.

В результате инверторного режима работы части тиристоров группы I происходит возврат в сеть энергии, накопленной в индуктивности, и спадание тока нагрузки до нуля.

Затем обеспечивается пауза φ_П, после которой начинает работать в выпрямительном режиме группа II, часть тиристоров которых в заданный момент переходят в инверторный режим. Далее рассмотренные процессы периодически повторяются.

Для получения на выходе НПЧ напряжения более высокой частоты, чем частота сети, прибегают к искусственной коммутации тиристоров. На рисунке 78 представлена схема трёхфазно-однофазного НПЧ с искусственной коммутацией, осуществляемой конденсатором С_К, установленного на выходе преобразователя.

Ток нагрузки попеременно проводят тиристоры групп I, II и III, IV.

Внутригрупповая коммутация тиристоров, например Т1_А, Т1_В, Т1_С группы I, происходит под воздействием напряжения сети.

Конденсатор С_К позволяет практически мгновенно произвести коммутацию между группами тиристоров (межгрупповую коммутацию) и тем самым изменить полярность тока в нагрузке.

НПЧ с искусственной коммутацией тиристоров обладают худшими показателями по сравнению с ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока.

5.3. Современные ПЧ в электроприводе.

ПЧ (инверторы) служат для плавного регулирования скорости трёхфазного АД. Это позволяет отказаться от использования редукторов и другой регулирующей аппаратуры, что значительно упрощает механическую систему и снижает эксплуатационные расходы. АД запускается плавно, без пусковых токов и ударов, что снижает нагрузку на двигатель и механическую часть.

Применение ПЧ с ОС обеспечивает точное поддержание скорости вращения при переменной нагрузке.

Для питающей сети ПЧ является чисто активной нагрузкой и потребляет ровно столько энергии, сколько требуется для выполнения механической работы (с учётом к.п.д. преобразователя и двигателя).

ПЧ в комплекте с АД может служить для замены приводов постоянного тока. В этом случае значительно снижаются эксплуатационные затраты, повышается перегрузка и надёжность системы.

ПЧ, применяемые в регулируемых электроприводах с АД и СД, делятся на три вида:

¾ непосредственные – НП (рис. 77);

¾ двухзвенные ПЧ с автономным инвертором напряжения – АИН, ПЧ с промежуточным контуром напряжения;

¾ двухзвенные ПЧ с автономным инвертором тока – АИТ, ПЧ с промежуточным контуром тока (рис. 52, 53).

НПЧ (рис. 77) по существу содержит три реверсивных преобразователя постоянного тока, управление которыми осуществляется модулирующим напряжением. Частота и амплитуда этого напряжения определяют частоту f₂ и напряжение U₂ на выходе НПЧ.

Основные достоинства НПЧ:

¾ естественная коммутация сетевым переменным напряжением, благодаря чему используются однооперационные тиристоры;

¾ минимальное количество вентилей, одновременно включённых между сетью и двигателем;

¾ полная реверсивность схемы.

Основной недостаток НПЧ – ухудшение формы выходного напряжения при увеличении частоты. Для схемы, рисунок 77, максимальная частота f_2max = 16 Гц. Переход от нулевой трёхфазной схемы к мостовой (шести- или двенадцатитактной) расширяет рабочий диапазон до f_2max = 25 Гц.

ПЧ с промежуточным контуром напряжения (рис. 52, 81).

Первое звено ПЧ – нерегулируемый трёхфазный мостовой выпрямитель. Промежуточный контур постоянного напряжения – конденсатор, являющийся источником реактивной мощности для двигателя.

Второе звено – автономный инвертор напряжения АИН на быстродействующих управляемых ключах.

В качестве ключей в настоящее время чаще всего используют IGBT – модули, содержащие биполярный транзистор с изолированным затвором и шунтирующий диод.

АИН преобразует постоянное входное напряжение в переменное, модулированное обычно по синусоидальному закону. Полярность напряжения промежуточного контура и направление тока выпрямителя не могут быть изменены, поэтому ПЧ с АИН по принципу работы – нереверсивный.

Основные достоинства ПЧ с АИН:

¾ практически синусоидальный ток нагрузки;

¾ широкий диапазон выходных частот, 0 ÷ 1000 Гц.

ПЧ с промежуточным контуром тока (рис. 52, 53,б).

Первое звено ПЧ – управляемый выпрямитель на тиристорах. Промежуточный контур постоянного тока – реактор.

Второе звено ПЧ – автономный инвертор тока АИТ, выполненный на обычных однооперационных или запираемых GTO тиристорах. АИТ содержит конденсаторы, которые являются источником реактивной энергии для нагрузки ПЧ.

Главное отличие схемы АИТ от АИН заключается в отсутствии шунтирующих обратных диодов. Вследствие этого можно изменить полярность на входе АИТ и при неизменном направлении тока выпрямителя перевести двигатель в генераторный режим. Таким образом, при потреблении энергии из сети: выпрямитель работает в режиме выпрямителя, АИТ – в режиме инвертирования, электрическая машина – в двигательном режиме, в 1–ом или 3–ем квадрантах электромеханических координат, при частоте f₂ и напряжение U_2.

Если двигатель при f₂ и U₂ переходит в генераторную область, 2-ой или 4–ый квадрант, то АИТ должен работать управляемым выпрямителем, полярность напряжения на промежуточном контуре изменится, ток в этом контуре не меняет своего направления, а управляемый выпрямитель переводится в инверторный режим.

Основные достоинства ПЧ с АИТ:

¾ возможность рекуперации энергии в сеть;

¾ близкое к синусоидальному выходное напряжение;

¾ безаварийность режима К3 по выходу.

Основные недостатки ПЧ с АИТ:

¾ ограничение верхнего уровня диапазона регулирования выходной частоты, f_2max = 100 ÷125 Гц;

¾ коммутационные перенапряжения на тиристорах АИТ.

Характерные особенности современных ПЧ:

¾ использование современных полупроводниковых приборов IGBT – транзисторов и GTO – тиристоров;

¾ цифровое регулирование;

¾ возможность сопряжения с различными системами автоматизации и управления на базе персональных компьютеров;

¾ встроенная самодиагностика, сводящая к минимуму техническое обслуживание и простои технологического оборудования;

¾ наличие библиотеки предварительно запрограммированных прикладных микропрограмм, учитывающих специфические требования заказчика;

¾ использование алфавитно-цифрового дисплея, благодаря которому легко задаются параметры, адаптирующие привод к требованиям технологического процесса, и может быть оперативно получена информация о ходе процесса.

ПЧ Omron. На рисунке 79 приведена структурная схема ПЧ. Он состоит из системы управления, выпрямителя, шины постоянного тока и выходного генератора. Выходное напряжение создаётся методом высокочастотной широтно-импульсной модуляции. В выходном каскаде используются IGBT – транзисторы. По сравнению с тиристорами они обладают более высокой частотой переключения, лучше воспроизводят синусоиду и меньше шумят.

Для обеспечения достаточного момента при изменении частоты ПЧ изменяет выходное напряжение согласно выбранной вольт - частотной характеристике. В наиболее совершенных ПЧ типа 3G3FV реализовано векторное управление. Его смысл состоит в том, что СУ отслеживает напряжение на обмотках, ток двигателя и сдвиг фаз между ними, создаёт модели двигателя, рассчитывает скольжение и положение ротора. На основании этих данных в каждый момент времени определяется оптимальное положение поля, и генерируются соответствующие выходные сигналы.

Векторное управление позволяет работать с полным моментом в области нулевых частот, точно поддерживать скорость при переменной нагрузке без датчика обратной связи, точно контролировать момент на валу двигателя.

Omron выпускает три линии ПЧ: 3G3EV, 3G3HV, 3G3FV. Они отличаются диапазонами мощностей и возможностями системы управления.

Преобразователи EV – небольшой мощности 0,1÷1,5 кВт.

Серия HV охватывает большой диапазон мощностей 0,4÷300 кВт. Эти преобразователи имеют встроенный ПИД-регулятор и функцию энергосбережения.

Серия FV – мощности до 300 кВт, отличается режимом векторного управления, улучшенными динамическими характеристиками, автоматически определяет параметры двигателя. Может заменить двигатели постоянного тока. Имеют встроенный ПИД-регулятор.

Характеристика системы управления.

Метод управления – генерация синусоидального тока, высокочастотный ШИМ.

Аналоговое задание скорости.

Диапазон управления скоростью до 1: 1000

Управление двигателем вольт - частотное; векторное и вольт - частотное.

Панель управления цифровая, алфавитно-цифровая.

Основные возможности. ПЧ позволяет регулировать выходную частоту в пределах 0…400 Гц. Разгон и торможение двигателя осуществляется плавно по линейному закону, время разгона и торможения можно контролировать в пределах 0,1 с…30 мин.

При разгоне происходит автоматическое усиление момента для компенсации инерционной нагрузки.

ПЧ обеспечивает полную электронную защиту преобразователя и двигателя от перегрузок по току, перегрева, утечки на землю и обрыва линии передачи.

Преобразователь позволяет отслеживать и отображать на цифровом пульте основные параметры системы: заданную скорость, выходную частоту, ток и напряжение двигателя, выходную мощность и момент, состояние дискретных входов, общее время работы преобразователя и т.д.

В зависимости от характера нагрузки может быть выбрана подходящая вольт - частотная характеристика или получена своя собственная.

Управлять ПЧ можно либо с помощью встроенной цифровой панели, либо с внешнего пульта (рис. 80). Во втором случае скорость задаётся аналоговым сигналом 0 ÷ 10 В или 4 ÷ 20 mA, а команды пуска, останова и изменения режимов подаётся дискретными сигналами.

Специальные функции. Преобразователи фирмы Omron имеют много специальных функций.

Энергосбережение. Преобразователь позволяет экономить на непроизводительных затратах, функция энергосбережения, обеспечивает при выполнении той же работы экономию ещё 5..30% электроэнергии путём поддержания двигателя в режиме оптимального к.п.д.

В этом режиме преобразователь автоматически отслеживает потребление тока, рассчитывает нагрузку и снижает выходное напряжение. Таким образом, снижаются потери в обмотках двигателя, и увеличивается его к.п.д. Режим энергосбережения хорошо подходит для задач управления:

¾ скоростью вращения вентиляторов и насосов, где момент нелинейно зависит от скорости;

¾ оборудованием с переменной нагрузкой;

¾ машинами, которые большую часть времени работают с малой нагрузкой.

ПИД – регулятор встроен в преобразователь. Для работы в этом режиме необходим датчик обратной связи. Преобразователь изменяет скорость двигателя таким образом, чтобы поддерживать на заданном уровне определённый параметр системы, давление или температуру и т.д. ПИД – регулятор позволяет использовать преобразователь в системах, где требуется точное поддержание скорости вне зависимости от изменения нагрузки, поддержание давления жидкости или газа при переменном расходе, уровне жидкости и т.д.

Предотвращение резонанса. При работе на определённых частотах в механической системе возникает резонанс. Преобразователь обходит резонансную частоту.

Предотвращение опрокидывания. Эта функция выполняется в трёх режимах: при разгоне, торможении и работе. Если при разгоне задано слишком большое ускорение и не хватает мощности, то преобразователь автоматически продлевает время разгона. При торможении происходит тоже. В рабочем режиме эта функция позволяет в случае перегрузки вместо аварийного останова продолжить работу на меньшей скорости.

Определение скорости. Иногда преобразователь запускается при вращающейся нагрузке. Чтобы избежать опрокидывания, в этом случае применяется функция поиска скорости. При её использовании преобразователь во время пуска определяет скорость вращения и начинает регулирование не с нуля, а с этой скорости.

5.4. Современные ПЧ с АИН и тенденции их развития.

Преобразователи с АИН (рис.81) выполнены на IGBT модулях, находят массовое применение в большом числе электроприводов в самых различных отраслях. Структурная схема приведена на рисунке 81. Силовая часть состоит из нерегулируемого выпрямителя В, промежуточного контура напряжения, включающего реактор L (может отсутствовать и конденсатора C (присутствует всегда) и АИН. Последний по заданному закону широтно-импульсной модуляции - ШИМ преобразует постоянное напряжение U_c в регулируемое по частоте f₂ и амплитуде первой гармоники выходное напряжение U₂. Основой системы управления ПЧ является модуль микроконтроллера МК, программное обеспечение и вычислительные характеристики которого в основном определяют возможности системы регулирования всего электропривода.

При работе ПЧ в режиме «Местное управление» используется встроенный пульт управления ПУ, имеющий набор кнопок и дисплей для отображения заданных и текущих параметров, адресов, функций, сообщений об ошибках и т.п. Программное обеспечение МК позволяет при использовании только ПУ, подключив к ПЧ питающую сеть и двигатель настроить регулируемый электропривод с реализацией всех возможностей, заложенных в системе управления данного ПЧ.

В режиме «Дистанционное управление» информация передаётся или через клеммник управления «Сигналы вход / выход» или по последовательному интерфейсу «ЭВМ».

Интерфейсный модуль ИМ предназначен для согласования по уровню и преобразования в цифровую форму сигналов, поступающих с клеммника управления и с внутренних датчиков ПЧ. Обычно это датчики: напряжение сети U₁ , напряжений на входе U_с и выходе АИН U_2, температуры t⁰ охладителя ПЧ, токов сети i₁, инвертора i_u и двигателя i_2. Этот же ИМ служит для преобразования выходных сигналов. Это сигналы для измерительных приборов и индикации, а также релейные выходы для управления внешним реле и контакторами.

Наличие модулей МК (микроконтроллер), ПУ (пульт управления), ИМ (интерфейсный модуль), характерно для микропроцессорной системы управления, МПСУ, любого электронного устройства. Отличительной особенностью МПСУ ПЧ является наличие ШИМ – контроллера, который аппаратно может быть встроен в микросхему МК или может быть выполнен в виде одной или нескольких микросхем. На выходе ШИМ – контроллера в соответствии с текущим режимом ПЧ образуются шесть дискретных сигналов управления транзисторами АИ.

Модуль выходных усилителей ВУ обеспечивает согласование этих сигналов с входными характеристиками IGBT модулей и гальваническую высоковольтную развязку сигналов. Основным фактором, вызвавшим резкое расширение разработок и объёмов производства ПЧ для электропривода, является прогресс в области силовых полупроводниковых приборов. АИН в ПЧ выполняются только на IGBT модулях.

Благодаря малым токам управления и большой допустимой импульсной мощности удалось резко снизить мощность ПЧ, упростить схему АИН за счёт вспомогательных элементов и увеличить надёжность всего ПЧ.

Совершенствование силовой части ПЧ проходило по двум направлениям. Первое было связано с улучшением характеристик IGBT модулей: увеличивались допустимые напряжения и ток; уменьшались время переключения и падение напряжения в открытом состоянии транзисторов. Это позволило поднять верхнюю границу диапазона ПЧ и снизить статические и динамические потери. Второе направление совершенствований – более тщательная отработка конструкции ПЧ и особенно системы его охлаждения.

Менее динамично менялись характеристики диодов и тиристоров для выпрямителя ПЧ и электролитических конденсаторов промежуточного напряжения, т.к. были практически исчерпаны возможности этих компонентов в рамках существующих технологий. От технических характеристик электролитических конденсаторов существенно зависит надёжность, массогабаритные показатели ПЧ.

Аппаратная часть систем управления ПЧ мало влияет на его массогабаритные, стоимостные показатели и надёжность.

Для решения задач оптимизации конструкции АИН разрабатываются и выпускаются новые типы силовых модулей – IPM. Модули IPM выполняются по гибридной технологии и содержат силовые транзисторы, выходные усилители (драйверы), охладитель и элементы защиты и контроля силовых транзисторов.

Созданы специализированные микроконтроллеры на применение в ПЧ. Наработка программного обеспечения привела к реализации сложных законов и функций управления электроприводом, укрупнению программных блоков в макропрограммы (макросы), позволяющие при настройке изменять меньшее количество параметров и упрощающие процесс настройки.

Основные функции, реализуемые микропроцессорной СУ ПЧ, можно условно сгруппировать по типам решаемых задач следующим образом:

¾ команды внутреннего пульта и индикация заданных и текущих параметров;

¾ ограничение переменных и анализ отказов;

¾ простые законы частотного регулирования, ускорение и замедление двигателя;

¾ программирование аналоговых и дискретных входов / выходов ПЧ, регулирования технологических параметров;

¾ управление без датчиков в контуре скорости;

¾ расширение функций с помощью дополнительных модулей;

¾ макропрограммы ПЧ.

Первые четыре группы реализуют практически во всех современных ПЧ. В полном объёме перечисленные функции в той или иной степени реализованы в ПЧ ряда фирм: ABB, Hitachi, Siemens и др.

Основная тенденция программного обеспечения современных ПЧ – перенести основную часть объектного программирования на производителя, расширить потребительские и технологические функции, упростить процесс включения ПЧ в современные системы регулируемого электропривода.

Получаемые точностные и динамические характеристики асинхронных электроприводов лучше, чем у быстродействующих приводов постоянного тока.