Что такое и для чего нужен преобразователь частоты

Более 50% электроэнергии в промышленном секторе используется для привода электродвигателей через частотные преобразователи. В перспективе оснастить каждый промышленный электродвигатель частотным преобразователем. Эти приборы позволяют экономить 20-70% электроэнергии. Принцип этой экономии очень простой: электродвигатель работают не под постоянной нагрузкой. В случае если нагрузка ослабевает, потребление тока не уменьшается. Таким образом, двигатель работает большую часть своего времени наполовину вхолостую, потребляя лишнюю энергию. Простой пример – мотор-редуктор крана, который имеет постоянную скорость вращения и мощность вне зависимости от того, какого веса груз с его помощью поднимают. Частотный преобразователь полностью решает эти проблемы. Такие излишки энергии суммируются, и за рабочую смену накапливается серьезная экономия.

На электродвигателях со строго постоянной нагрузкой применение частотных преобразователей бессмысленно. В промышленности это лишь небольшая часть электроустановок: насосы, вентиляторы, компрессоры. Для компрессоров с циклическим расходом воздуха частотный преобразователь уже выгоден и может дать значительную экономию энергии. Во всех остальных случаях ЧП очень выгоден. Примеры: упаковочное, сортировочное, обрабатывающее оборудование, металлорежущие станки.

Виды преобразователей частоты

Под преобразователем частоты понимается прибор, обеспечивающий изменение частоты переменного тока на выходе. При этом, на входе он может питаться как от постоянного, так и от переменного тока. Вариант подбирается под конкретную контактную сеть предприятия. Питание может быть батарейным, низковольтным, высоковольтным (например, однофазный ток 400 вольт). На выходе частотного преобразователя 3 или 1 фаза. Есть варианты и на большее число фаз. Наиболее применяема трехфазная схема, так как она при простом техническом устройстве дает отличный КПД. Каждая фаза подается со сдвигом на 120 градусов, что за все три фазы электродвигатель сделает полный оборот.

Известно большое множество конструкции частотного преобразователя, как практически применяемых, производимых серийно, так и чисто экспериментальных. Все их можно разделить только на две группы: механические и электронные. Также есть совмещенные варианты. Механические частотные преобразователи, это ничто не иное, как электродвигатель, объединенный с генератором, вырабатывающим ток нужной частоты. КПД такой схемы весьма низок, поэтому она имеет очень узкое практическое применение, например, в военной радиоаппаратуре, где для обеспечения радиационной устойчивости полупроводники использовать нельзя.

Электронные частотные преобразователи

Структурно, схема электронного частотного преобразователя включает в себя генератор переменной частоты и мощный усилитель низких частот на транзисторах. Входное напряжение сначала выпрямляется, затем подается на выходные каскады усилителя. Частота задается микроконтроллером, генератором синусоидального сигнала. Частотный преобразователь содержит схему инвертора «чистая синусоида», причем троекратно повторенную, отдельный усилитель для каждой фазы. Микроконтроллер генерирует одновременно три синусоидальных сигнала со сдвигом по фазе 120 градусов. Изменение частоты обеспечивается без изменения фаз, иначе вращение электродвигателя будет нарушенным, а КПД системы упадет.

Общая схема частотного преобразователя получается сложной, с чем и связана их высокая изначальная стоимость. Тем не менее, они все равно достаточно быстро окупаются, за счет значительной экономию энергии. По варианту питания возможны как низковольтные, так и высоковольтные варианты исполнения. Преимущества высоковольтного питания:

• Меньше потери в выпрямителях, минимальное падение напряжения на диодах 0,5-1 вольт некритично для высокого напряжения.
• Меньше сечение проводов, дорожек на печатной плате, меньше токи в электронной схеме.
• Конструкция дешевле и компактнее.
• Схема нечувствительна к помехам.

Недостатки высоковольтного питания

• Меньшая надежность высоковольтных выходных транзисторов.
• Высоковольтные конденсаторы имеют большие габариты, а при пробое взрываются.
• Требуется защита дорожек печатной платы и паек специальным компаундом.

Основное большинство частотных преобразователей рассчитано на общепромышленные электродвигатели широкого применения на 380-400 вольт. Это обеспечивает их совместимость с имеющимся на предприятиях оборудованием. Модернизация проводится без замены двигателей и редукторов.

Тиристорные частотные преобразователи

Выходные каскады ЧП могут быть реализованы на биполярных транзисторах, IGBT и MOP-транзисторах, или же на тиристорах. Причем, тиристорная схема появилась раньше всего по причине технологической простоты их производства. Она имеет множество плюсов, главных из которых – низкая стоимость частотного преобразователя и низкая стоимость его ремонта при возможной замене высоковольтных тиристоров. Тиристорная схема подходит для встречно-параллельных, перекрестных и мостовых схем включения обмоток двигателя.

Несмотря на ценовое преимущество, ЧП тиристорной схемы имеет множество недостатков, ограничивающих его применение

• Неправильная форма напряжения на выходе. Тиристорная схема далека преобразователя «чистая синусоида». На выходе присутствуют гармоники, напряжения другой частоты, снижающие общую эффективность привода.
• Генерация радиопомех. Тиристор создает гармоники в питающем напряжении. При плохо экранированной линии питания это вызывает мощные радиопомехи. Они мешают не только радиопередач в эфире, но и конкретным устройствам на предприятии, например, компьютерам
• Тиристорный ЧП невозможно использовать для регулировки скорости вращения электродвигателя в сторону увеличения частоты напряжения питающей сети. С его помощью можно только снижать, а не увеличивать, мощность.

Лучший вариант применения тиристорного ЧП — регулировка частоты вращения для мощных промышленных электродвигателей. Если привод подобран с запасом мощности, то такой недостаток, как отсутствие возможности форсировки, несущественен. Особе внимание уделяется экранирования линий питания для предупреждения распространения электромагнитных помех.

Широтно-импульсная модуляция в частотных преобразователях

Функция Широтно-Импульсной Модуляции (ШИМ) позволяет экономить электроэнергию. При питании от сети переменного трехфазного тока или от ЧП с таким же трехфазным током на выходе любой необходимой частоты, возможно применять ШИМ. Суть этой передовой технологии состоит в создании импульсов тока, периодического включения и выключения без нарушения синусоидальной формы. Частота ШИМ в несколько раз и несколько десятков раз превышает частоту питания. Чем выше частота — тем меньше искажения синусоидального напряжения, но больше потери и радиопомехи.

Введение функции широтно-импульсной модуляции требует некоторых особенностей конструкции частотного преобразователя. Более 70% стоимости ЧП приходится на мощные выходные каскады. Важнейшей задачей является уменьшение сопротивления выходных транзисторов в открытом состоянии. Например, сопротивление перехода всего в 5 Ом при токе 10 А приведет к потерям 50 Вт мощности, которая уйдет на нагрев. Для мощного полупроводникового прибора 50-70 Вт рассеиваемой тепловой мощности являются пределом. Сейчас разработаны и внедрены в широкую практику транзисторы с сопротивлением перехода менее одного Ома. Именно они используются в частотных преобразователях. В контроллере функция ШИМ добавляется легко и не требует значительного удорожания компонентов ЧП. Схема с ШИМ особенно эффективна при использовании в приводах с динамично изменяющейся нагрузкой.

Регулировать мощность электродвигателя можно и куда более простыми методами, чем широтно-импульсная модуляция, однако у нее есть весомые преимущества. Например, регулировать мощность снижением напряжения намного сложнее. Устройство, позволяющее плавно снижать напряжение без потерь очень сложно реализовать. Это будет автотрансформаторная схема, и стоимость такого регулятора превысит цену электродвигателя. Контроллеры ШИМ используются и в других сферах: освещение, импульсные блоки питания.

Преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока

Так называют электронные частотные преобразователи, в которых питающее напряжение сначала выпрямляется, а затем опять преобразуется в переменное любой необходимой частоты. Также такую схему называют преобразователями с двойным преобразованием частоты или просто «электронный частотный преобразователь». Частотники по такой схеме подходят для любых диапазонов скоростей и мощностей. Они отличаются множеством функций, которые объединены в одном устройстве. Выходная частота может быть как ниже, так и выше питающего тока. Это значения не имеет, так как в ЧП питающее напряжение все равно выпрямляется. На выходе генерируется чистая синусоидальная форма напряжения, без характерных искажений, свойственных для преобразователей тиристорной схемы.

Схемотехнические решения для электронных частотных преобразователей

В электронных частотных преобразователях (кроме тиристорной схемы) используется три одинаковых модуля — усилитель низких частот большой мощности, отдельный на каждую фазу. В отличие от концертного усилителя и бытовой аудиоаппаратуры выход сделан высоковольтным. Функция этих модулей (составляющих 70-80% от стоимости всего частотного преобразователя) — усиление синусоидального сигнала нужной частоты от маломощного генератора. Регулировка фаз (сдвиг каждой на 120 градусов) обеспечивается микроконтроллерным управлением.

КПД частотного преобразователя зависит от сопротивления перехода транзисторов в открытом состоянии. Наиболее совершенны в этом отношении, сравнительно недавно разработанные, IGBT-транзисторы. Биполярные высоковольтные транзисторы используются в малом классе мощности, полевые высоковольтные – в малом и среднем, IGBT-транзисторы и их сборки пригодны для любых классов мощности, в том числе и для самых мощных ЧП с трехфазным напряжением на выходе 400 вольт.

Способы управления частотными преобразователями

Главная цель установки частотного преобразователя – экономия энергии. Процент экономии зависит не только от КПД электронных компонентов, но и от выбранной схемы управления. Лучше всего этой задаче отвечает схема автоматического управления, когда режим питания подбирается микроконтроллером в зависимости от нагрузки электродвигателя. Чтобы автоматика могла оценить нагрузку, используются датчики, например, динамометрическая муфта.

Частое название для схемы автоматического управления — управление с обратной связью. Действительно, отслеживание нагрузки осуществляется непрерывно с помощью цепи обратной связи. Помимо датчика нагрузки используется датчик положения вала, датчики положения приводимых элементов и любые другие устройства, которые согласуются с помощью универсальных интерфейсов. Цифровые датчики легко согласуются с современными ЧП и не требуют экранирования линии питания.

Автоматическое управление частотным преобразователем осуществляется по предварительно написанной программе. Причем, программа может прошиваться в память, как самого микроконтроллера ЧП, так и внешних устройств, чаще сего ПЛК (Промышленные Логические Контроллеры). Программы не нужно каждый раз писать заново, давно используются типовые схемы, специально разработанные для экономии электроэнергии в промышленном приводе. Это снижает сроки и стоимость настройки привода после модернизации. Низкая стоимость вычислительных мощностей, большой объем память микроконтроллеров позволяют встроить в частотный преобразователь множество функций.

• Автоматическая оценка мощности и подбор оптимального количества энергии для двигателя путем включения ШИМ.
• Автоматическая оценка оптимального числа оборотов для конкретного приводимого механизма и настройка двигателя на эти параметры.
• Автоматическое обучение без участия человека.
• Защита электродвигателя от перегрузок, перенапряжения.
• Защита собственных входных цепей от перегрузки, перегрева, перенапряжения.
• Работа по нескольким программам, подстройка под интенсивность производственных процессов.
• Работа с двумя и более двигателями одновременно.
• Работа с двумя и более двигателями раздельно. Для каждого мотора создается свой «пользовательский профиль», который включается автоматически при переключении на соответствующий двигатель.
• Отключение при аварийных режимах работы оборудования (требует установки соответствующих датчиков)

Экономический эффект от применения частотного преобразователя очень высок. Их выпускается все большее число. Стоимость становится все более доступной. Сейчас она не отличается от цены других силовых полупроводниковых устройств.