ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ

СОДЕРЖАНИЕ:

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ ЧАСТОТЫ

3.2.1 Классификация преобразователей частоты для электропривода

Силовая часть частотно-регулируемого электропривода переменного тока состоит из двух основных элементов: асинхронного двигателя и преобразователя частоты, включенного между двигателем и сетью. Преобразователь частоты не только обеспечивает эффективное регулирование частоты вращения двигателя изменением частоты напряжения на его входе, но и необходимые значения тока и напряжения.

Преобразователи частоты (ПЧ), применяемые в регулируемых электроприводах с асинхронными и синхронными двигателями, делятся на три вида [3]:

1) с промежуточным звеном постоянного тока (ПЧ, построенные на основе автономных инверторов (АИ));

2) с непосредственной связью;

3) с промежуточным звеном переменного тока повышенной частоты.

Одним из основных узлов первого вида ПЧ является автономный инвертор (АИ), свойства которого определяют характеристику всего ПЧ в целом.

Автономный инвертор- это по существу коммутатор, переключатель, который поочередно подключает фазы нагрузки в цепи переменного тока к положительному и отрицательному полюсам источника постоянного тока. Частота переключений определяет выходную частоту инвертора. В зависимости от режима работы источника постоянного тока и особенностей протекания электромагнитных процессов автономные инверторы разделяют на два вида:

1) автономные инверторы напряжения (АИН);

2) автономные инверторы тока (АИТ).

В ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока (рисунок 2.1,а) производится двукратное преобразование напряжения питающей сети. Сначала оно выпрямляется выпрямителем В, а затем с помощью автономного инвертора преобразуется в переменное напряжение или ток регулируемой частоты. Между выпрямителем и автономным инвертором обычно включается фильтр, сглаживающий пульсации либо выпрямленного напряжения, либо выпрямленного тока. Выходная частота ПЧ может регулироваться в широких пределах как вверх, так и вниз от частоты питающей сети. Это свойство, а также простота схем и сравнительно небольшое число силовых элементов, сделали подобные преобразователи основной структурой при построении широко регулируемых электроприводов переменного тока.

Рисунок 2.1 – Структурные схемы силовой части преобразователей частоты

Основной недостаток таких преобразователей — двукратное преобразование энергии, что снижает их КПД и увеличивает массу и габариты.

Преобразователи частоты с непосредственной связью строятся на основе реверсивных управляемых выпрямителей. В этих ПЧ выпрямление переменного напряжения источника энергии и преобразование этого выпрямленного напряжения в переменное, регулируемой частоты, совмещено в одном устройстве. Это обуславливает однократное преобразование энергии, повышенный КПД, малые габариты и массу. Основные недостатки таких преобразователей:

— низкий коэффициент мощности;

— больший процент высших гармоник в выходном напряжении;

— сложность системы управления;

— ограниченность максимального значения выходной частоты.

В ПЧ с промежуточным звеном переменного тока (рисунок 2.1,б) напряжение сети U1 с частотой f1 преобразуется в однофазное напряжение повышенной частоты fп , которое поступает затем на вход ПЧ с непосредственной связью. Выходное напряжение ПЧ регулируемой частоты f2 подается далее на обмотки статора асинхронного двигателя. Для получения f2 50 Гц значение fп должно быть более 450 Гц.

Дата добавления: 2020-10-22 ; просмотров: 370 | Нарушение авторских прав

Частотный преобразователь

Согласно ГОСТ 23414-84 полупроводниковый преобразователь частоты — полупроводниковый преобразователь переменного тока, осуществляющий преобразование переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты

Частотный преобразователь — это устройство, используемое для того чтобы обеспечить непрерывное управление процессом. Обычно частотный преобразователь способен управлять скоростью и моментом асинхронных и/или синхронных двигателей.

Преобразователи частоты находят все более широкое применение в различных приложениях промышленности и транспорта. Благодаря развитию силовых полупроводниковых элементов, инверторы напряжения и инверторы тока с ШИМ управлением получают все более широкое распространение. Устройства, которые преобразуют постоянный сигнал в переменный, с желаемым напряжением и частотой, называются инверторами. Такое преобразование может быть осуществлено с помощью электронных ключей (BJT, MOSFET, IGBT, MCT, SIT, GTO) и тиристоров в зависимости от задачи.

На данный момент основная часть всей производимой электрической энергии в мире используется для работы электрических двигателей. Преобразование электрической мощности в механическую мощность осуществляется с помощью электродвигателей мощностью от меньше ватта до нескольких десятков мегаватт.

    Современные электроприводы должны отвечать различным требованиям таким как:
  • максимальный КПД;
  • широкий диапазон плавной установки скорости вращения, момента, ускорения, угла и линейного положения;
  • быстрое удаление ошибок при изменении управляющих сигналов и/или помех;
  • максимальное использование мощности двигателя во время сниженного напряжения или тока;
  • надежность, интуитивное управление.

Конструкция частотного преобразователя

Основными элементами частотного преобразователя являются силовая часть (преобразователь электрической энергии) и управляющее устройство (контроллер). Современные частотные преобразователи обычно имеют модульную архитектуру, что позволяет расширять возможности устройства. Также зачастую имеется возможность установки дополнительных интерфейсных модулей и модулей расширения каналов ввода/вывода.

Методы управления

На микроконтроллере частотного преобразователя выполняется программное обеспечение, которое управляет основными параметрами электродвигателя (скоростью и моментом). Основные методы управления бесщеточными двигателями, используемые в частотных преобразователях представлены в таблице ниже.

Инвертор напряжения

Инвертор напряжения наиболее распространен среди силовых преобразователей.

Двухуровневый инвертор напряжения

Двухуровневый инвертор напряжения (two-level voltage-source inverter) – наиболее широко применяемая топология преобразователя энергии. Он состоит из конденсатора и двух силовых полупроводниковых ключей на фазу. Управляющий сигнал для верхнего и нижнего силовых ключей связан и генерирует только два возможных состояния выходного напряжения (нагрузка соединяется с положительной или отрицательной шиной источника постоянного напряжения).

Используя методы модуляции для генерирования управляющих импульсов возможно синтезировать выходное напряжение с желаемыми параметрами (формой, частотой, амплитудой). Из-за содержания высоких гармоник в выходном сигнале для генерирования синусоидальных токов выходной сигнал необходимо фильтровать, но так как данные преобразователи обычно имеют индуктивную нагрузку (электродвигатели) дополнительные фильтры используются только при необходимости.

Максимальное выходное напряжение определяется значением постоянного напряжения звена постоянного тока. Для эффективного управления мощной нагрузкой требуется высокое постоянное напряжение звена постоянного тока, но на практике это напряжение ограничено максимальным рабочим напряжением полупроводников. Для примера низковольтные IGBT транзисторы обеспечивают выходное напряжение до 690 В. Для того чтобы обойти данное ограничение по напряжению в последние десятилетия были разработаны схемы многоуровневых преобразователей. Данные преобразователи сложнее, чем двухуровневые в плане топологии, модуляции и управления, но при этом имеют лучшие показатели по мощности, надежности, габаритам, производительности и эффективности.

Трехуровневый преобразователь с фиксированной нейтральной точкой

В трехуровневом преобразователе с фиксированной нейтральной точкой (three-level neutral point clamped converter) постоянное напряжение делится поровну посредством двух конденсаторов, поэтому фаза может быть подключена к линии положительного напряжения (посредством включения двух верхних ключей), к средней точке (посредством включения двух центральных ключей) или к линии отрицательного напряжения (посредством включения двух нижних ключей). Каждому ключу в данном случае требуется блокировать только половину напряжения звена постоянного тока, тем самым позволяя увеличить мощность устройства, используя те же самые полупроводниковые ключи, как и в обычном двухуровневом преобразователе. В данном преобразователе обычно используются высоковольтные IGBT транзисторы и IGCT тиристоры.

    Недостатками данных преобразователей являются:
  • Дисбаланс конденсаторов, создающий асимметрию в преобразователе. Данную проблему предлагается решать путем изменения метода модуляции.
  • Неравное распределение потерь из-за того, что потери на переключение внешних и центральных ключей отличаются в зависимости от режима работы. Данная проблема не может быть решена с использованием обычной схемы, поэтому была предложена измененная топология – активный преобразователь со связанной нейтральной точкой (active NPC). В этой схеме диоды заменены управляемыми ключами. Таким образом, выбирая соответствующую комбинацию ключей, возможно уменьшить и равномерно распределить потери.

Преобразователь с фиксированной нейтральной точкой может масштабироваться для достижения больше чем трех уровней выходного сигнала путем деления напряжения звена постоянного тока более чем на два значения посредством конденсаторов. Каждое из этих деленных напряжений может быть подключено к нагрузке с использованием расширенного набора ключей и ограничительных диодов. Вместе с увеличением мощности преимуществами многоуровневого преобразователя является лучшее качество электроэнергии, меньшее значение скорости нарастания напряжения (dv/dt) и связанных электромагнитных помех. Однако, когда преобразователь со связанной нейтральной точкой имеет более трех уровней, появляются другие проблемы. С точки зрения схемотехники в таком случае ограничительные диоды требуют более высокое максимальное рабочее напряжение чем основные ключи, что требует использования различных технологий или нескольких ограничительных диодов соединенных последовательно. В дополнение становится критическим неравномерное использование силовых элементов в схеме. В итоге из-за увеличения количества элементов снижается надежность. Приведенные недостатки ограничивают использование преобразователей с фиксированной нейтральной точкой с более чем тремя уровнями в промышленных приложениях.

Многоуровневые преобразователи

Каскадные преобразователи основанные на модульных силовых ячейках со схемой H-мост (cascaded H-bridge — CHB) и преобразователи с плавающими конденсаторами (flying capacitor converter) были предложены для обеспечения большего количества уровней выходного напряжения в сравнении с преобразователями с фиксированной нейтральной точкой.

Каскадный Н-мостовой преобразователь

Каскадный преобразователь — высоко модульный преобразователь, состоящий из нескольких однофазных инверторов, обычно называемыми силовыми ячейками, соединенными последовательно для формирования фазы. Каждая силовая ячейка выполнена на стандартных низковольтных компонентах, что обеспечивает их легкую и дешевую замену в случае выхода из строя.

Основным преимуществом данного преобразователя является использование только низковольтных компонентов, при этом он дает возможность управлять мощной нагрузкой среднего диапазона напряжения. Несмотря на то что частота коммутации в каждой ячейке низкая, эквивалентная частота коммутации приложенная к нагрузке – высокая, что уменьшает потери на переключение ключей, дает низкую скорость нарастания напряжения (dv/dt) и помогает избежать резонансов.

Преобразователь с плавающими конденсаторами

Выходное напряжение преобразователя с плавающими конденсаторами получается путем прямого соединения выхода фазы с положительной, отрицательной шиной или подключением через конденсаторы. Количество уровней выходных напряжений зависит от количества навесных конденсаторов и отношения между различными напряжениями.

Этот преобразователь, как и в случае каскадного преобразователя, также имеет модульную топологию, где каждая ячейка состоит из конденсатора и двух связанных ключей. Однако, в отличие от каскадного преобразователя добавление дополнительных силовых ключей к конденсаторному преобразователю не увеличивает номинальную мощность преобразователя, а только уменьшает скорость нарастания напряжения (dv/dt), улучшая коэффициент гармоник выходного сигнала. Как и у каскадного преобразователя, модульность уменьшает стоимость замены элементов, облегчает поддержку и позволяет реализовать отказоустойчивую работу.

Конденсаторный преобразователь требует только один источник постоянного тока для питания всех ячеек и фаз. Поэтому, можно обойтись без входного трансформатора, а количество ячеек может быть произвольно увеличено в зависимости от требуемой выходной мощности. Подобно преобразователю с фиксированной нейтральной точкой, этому преобразователю требуется специальный алгоритм управления для регулирования напряжения на конденсаторах.

Инвертор тока

Для работы инвертору тока всегда требуется управляемый выпрямитель, чтобы обеспечить постоянный ток в звене постоянного тока. В стандартной топологии обычно используются тиристорные выпрямители. Чтобы уменьшить помехи в нагрузке, в звене постоянного тока используется расщепленная индуктивность. Инвертор тока имеет схему силовых ключей наподобие инвертора напряжения, но в качестве силовых ключей используются тиристоры с интегрированным управлением (IGCT). Выходной ток имеет форму ШИМ и не может быть напрямую приложен к индуктивной нагрузке (электродвигателю), поэтому инвертор тока обязательно включает выходной емкостной фильтр, который сглаживает ток и выдает гладкое напряжение на нагрузку. Этот преобразователь может быть реализован для работы на средних напряжениях и более того он по природе имеет возможность рекуперации энергии.

Прямые преобразователи

Прямые преобразователи передают энергию прямо от входа к выходу без использования элементов накопления энергии. Основным преимуществом таких преобразователей является меньшие габариты. Недостатком – необходимость более сложной схемы управления.

Циклоконвертер относится к категории прямых преобразователей. Данный преобразователь широко использовался в приложениях требующих высокую мощность. Этот конвертер состоит из двойных тиристорных преобразователей на фазу, который может генерировать изменяемое постоянное напряжение, контролируемое таким образом, чтобы следовать опорному синусоидальному сигналу. Вход каждого преобразователя питается от фозосмещающего трансформатора, где устраняются гармоники входного тока низкого порядка. Выходное напряжение является результатом комбинации сегментов входного напряжения в котором основная гармоника следует за опорным сигналом. По своей природе данный преобразователь хорошо подходит для управления низкочастотными мощными нагрузками.

Матричный преобразователь в его прямой и непрямой версии также принадлежит к категории прямых преобразователей. Основной принцип работы прямого матричного преобразователя (direct matrix converter) — возможность соединения выходной фазы к любому из входных напряжений. Преобразователь состоит из девяти двунаправленных ключей, которые могут соединить любую входную фазу с любой выходной фазой, позволяя току течь в обоих направлениях. Для улучшения входного тока требуется индуктивно-емкостной фильтр второго порядка. Выход напрямую соединяется с индуктивной нагрузкой. Не все доступные комбинации ключей возможны, они ограничены только 27 правильными состояниями коммутации. Как говорилось ранее, основное преимущество матричных преобразователей — меньшие габариты, что важно для автомобильных и авиационных приложений.

Непрямой матричный преобразователь (indirect matrix converter) состоит из двунаправленного трехфазного выпрямителя, виртуального звена постоянного тока и трехфазного инвертора. Количество силовых полупроводников такое же как у прямых матричных преобразователей (если двунаправленный ключ рассматривается как два однонаправленных ключа), но количество возможных состояний включения отличается. Используя ту же самую конфигурацию непрямого матричного преобразователя, возможно упростить его топологию и уменьшить количество элементов ограничив его работу от положительного напряжения в виртуальном звене постоянного тока. Уменьшенная топология называется разреженный матричный преобразователь (sparse matrix converter).

Преобразователи частоты Delta Electronics

Если Вы нашли ошибку на нашем сайте, выделите текст и нажмите Ctrl+Enter

Общие сведения о частотных преобразователях

Цены на преобразователи частоты смотрите в разделе Цены и документация или в описаниях частотных преобразователей: серия VFD-L, серия VFD-EL, серия VFD-E, серия VFD-CP2000, серия VFD-C2000.

Выбор преобразователей частоты Delta Electronics

При выборе преобразователя частоты следует исходить из конкретной задачи, которую должен решать электропривод, типа и мощности подключаемого электродвигателя, точности и диапазона регулирования скорости, точности поддержания момента вращения на валу двигателя.

Также можно учитывать конструктивные особенности преобразователя, такие, как размеры, форма, возможность выноса пульта управления и др.

При работе со стандартным асинхронным двигателем, преобразователь следует выбирать с соответствующей мощностью. Если требуется большой пусковой момент или короткое время разгона замедления, выбирайте преобразователь на ступень выше стандартного.

При выборе преобразователя для работы со специальными двигателями (двигатели с тормозами, погружные двигатели, с втяжным ротором, синхронные двигатели, высокоскоростные и т.д.) следует руководствоваться прежде всего номинальным током преобразователя, который должен быть больше номинального тока двигателя, а также особенностями настройки параметров преобразователя. В этом случае лучше проконсультироваться со специалистами поставщика.

Для увеличения точности поддержания момента и скорости на валу двигателя в наиболее совершенных преобразователях частоты (VFD-E, VFD-C2000) реализовано векторное управление, позволяющее работать с полным моментом двигателя в области нулевых частот, поддерживать скорость при переменной нагрузке без датчиков обратной связи, точно контролировать момент на валу двигателя.

При выборе частотных преобразователей рекомендуется применять следующие методы:

  • Частотный. В случаях, когда зависимость момента нагрузки двигателя известна и нагрузка практически не меняется при одном и том же значении частоты, а также нижняя граница регулирования частоты не ниже 5…10 Гц при независимом от частоты моменте; при работе на центробежный насос или вентилятор (это типичные нагрузки с моментом, зависящим от скорости вращения) диапазон регулирования частоты – от 5 до 50 Гц и выше; при работе с двумя и более двигателями.
  • Частотный с обратной связью по скорости. Для прецизионного регулирования (необходимо использовать инкрементальный энкодер) с известной зависимостью момента от скорости вращения.
  • Векторный. Для случаев, когда в процессе эксплуатации нагрузка может меняться на одной и той же частоте, т.е. нет четкой зависимости между моментом нагрузки и скоростью вращения, а также в случаях, когда необходимо получить расширенный диапазон регулирования частоты при номинальных моментах, например, 0…50 Гц для момента 100% или даже кратковременно 150-200% от Мном. Векторный метод работает нормально, если правильно введены паспортные величины двигателя и успешно прошло его автотестирование. Векторный метод реализуется путем сложных расчетов в реальном времени, производимых процессором преобразователя на основе информации о выходном токе, частоте и напряжении. Процессором используется также информация о паспортных характеристиках двигателя, которые вводит пользователь. Время реакции преобразователя на изменение выходного тока (момента нагрузки) составляет 50…200 мсек. Векторный метод позволяет минимизировать реактивный ток двигателя при уменьшении нагрузки путем адекватного снижения напряжения на двигателе. Если нагрузка на валу двигателя увеличивается, то преобразователь адекватно увеличивает напряжение на двигателе.
  • Векторный с обратной связью по скорости. Для прецизионного регулирования (необходимо использовать инкрементальный энкодер) скорости, когда в процессе эксплуатации нагрузка может меняться на одной и той же частоте, т.е. нет четкой зависимости между моментом нагрузки и скоростью вращения, а также в случаях, когда необходим максимальный диапазон регулирования частоты при моментах близких к номинальному.

Области применения частотных преобразователей

На базе частотных преобразователей Delta Electronics могут быть реализованы системы регулирования скорости следующих объектов:

  • насосов горячей и холодной воды в системах водо- и теплоснабжения, вспомогательного оборудования котельных, ТЭС, ТЭЦ и котлоагрегатов;
  • песковые и пульповые насосы в технологических линиях обогатительных фабрик;
  • рольганги, конвейеры, транспортеры и другие транспортные средства;
  • дозаторы и питатели;
  • лифтовое оборудование;
  • дробилки, мельницы, мешалки, экструдеры;
  • центрифуги различных типов;
  • линии производства пленки, картона и других ленточных материалов;
  • оборудование прокатных станов и других металлургических агрегатов;
  • приводы буровых станков, электробуров, бурового оборудования;
  • высокооборотные механизмы (шпиндели шлифовальных станков и т.д.);
  • экскаваторное оборудование;
  • крановое оборудование;
  • механизмы силовых манипуляторов.

Применение устройств плавного регулирования частоты вращения двигателей в насосных агрегатах, помимо экономии электроэнергии, дает ряд дополнительных преимуществ, а именно:

  • плавный пуск и остановка двигателя исключает вредное воздействие переходных процессов (типа «гидравлический удар») в напорных трубопроводах и технологическом оборудовании;
  • пуск двигателя осуществляется при токах, ограниченных на уровне номинального значения, что повышает долговечность двигателя, снижает требования к мощности питающей сети и мощности коммутирующей аппаратуры;
  • возможна модернизация действующих технологических агрегатов без замены насосного оборудования и практически без перерывов в его работе.

Системы управления на базе преобразователей частоты Delta Electronics могут иметь любые технологически требуемые функции, реализация которых возможна за счет встроенных в преобразователи программируемых контроллеров, функционирующих совместно с преобразователями.

Классификация тиристорных преобразователей частоты

Преобразователи частоты, применяемые в регулируемом электроприводе, в зависимости от структуры и принципа работы силовой части разделяются на два класса:

  • · Преобразователи частоты с явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.
  • · Преобразователи частоты с непосредственной связью (без промежуточного звена постоянного тока).

Каждый из существующих классов преобразователей имеет свои достоинства и недостатки, которые определяют область рационального применения каждого из них.

Исторически первыми появились преобразователи с непосредственной связью (рис. 6.3), в которых силовая часть представляет собой управляемый выпрямитель и выполнена на не запираемых тиристорах.

Рис.6.3. Преобразователь с непосредственной связью.

Система управления поочередно отпирает группы тиристоров и подключает статорные обмотки двигателя к питающей сети. Таким образом, выходное напряжение преобразователя формируется из «вырезанных» участков синусоид входного напряжения. На рис.6.4. показан пример формирования выходного напряжения для одной из фаз нагрузки. На входе преобразователя действует трехфазное синусоидальное напряжение uа, uв, uс. Выходное напряжение uвых имеет несинусоидальную «пилообразную» форму, которую условно можно аппроксимировать синусоидой (утолщенная линия). Из рисунка видно, что частота выходного напряжения не может быть равна или выше частоты питающей сети. Она находится в диапазоне от 0 до 30 Гц. Как следствие малый диапазон управления частоты вращения двигателя (не более 1 : 10). Это ограничение не позволяет применять такие преобразователи в современных частотно регулируемых приводах с широким диапазоном регулирования технологических параметров.

Рис.6.4. Формирование выходного напряжения для одной из фаз нагрузки.

Использование не запираемых тиристоров требует относительно сложных систем управления, которые увеличивают стоимость преобразователя. «Резаная» синусоида на выходе преобразователя является источником высших гармоник, которые вызывают дополнительные потери в электрическом двигателе, перегрев электрической машины, снижение момента, очень сильные помехи в питающей сети. Применение компенсирующих устройств приводит к повышению стоимости, массы, габаритов, понижению к.п.д. системы в целом. Наряду с перечисленными недостатками преобразователей с непосредственной связью, они имеют определенные достоинства. К ним относятся:

  • · практически самый высокий КПД относительно других преобразователей (98,5% и выше),
  • · способность работать с большими напряжениями и токами, что делает возможным их использование в мощных высоковольтных приводах,
  • · относительная дешевизна, несмотря на увеличение абсолютной стоимости за счет схем управления и дополнительного оборудования.

Подобные схемы преобразователей используются в старых приводах и новые конструкции их практически не разрабатываются.

Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых приводах находят преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока (рис. 6.5).

Рис.6.5. Преобразователь с явно выраженным звеном постоянного тока.

В преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе (В), фильтруется фильтром (Ф), сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором (И) в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению к.п.д. и к некоторому ухудшению массогабаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью. Преобразователи частоты могут быть запитаны от внешнего звена постоянного тока. В этом случае защита преобразователя частоты осуществляется быстродействующими предохранителями.

Классификация преобразователей частоты

Дать краткую классификацию преобразователей частоты, применяемых для электропривода переменного тока.

Расчет и выбор преобразователя частоты

Расчет и выбор преобразователя частоты выполнить в соответствии с вариантом. Все схемы должны выполняться с использованием программ «Компас», либо выполняться от руки с соблюдением ГОСТов ЕСКД.

Сравнение автономного инвертора напряжения с различными видами модуляции

Дать сравнительный анализ автономного инвертора напряжения, выполненного по варианту с любым другим.

Рекуперативное и динамическое торможение в двигателе при питании от преобразователя частоты

Дать подробное описание схем рекуперативного и динамического торможения двигателя, с особенностями их использования.

Заключение

Дается полный анализ проведенной работы, с выводами по преобразователю частоты.

Список использованных источников

1. Автоматизированный электропривод, силовые полупроводниковые приборы, преобразовательная техника: Актуальные проблемы и задачи / Под общ. Н.Ф.Ильинского, И.А.Тепмана, М.Г.Юнькова.- М. : Энергоатомиздат, 1983.- 457с.

2. Абрамов, В. М. Электронные элементы устройств автоматического управления: схемы, расчет, справочные данные / В.М. Абрамов.- М.: Академкнига, 2006.- 680 с.

3. Белов, М.П. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов: учебник для вузов / М.П. Белов, В.А. Новиков, Л.Н. Рассудов.-2-е изд., стер.-М.: Academia, 2004.-575 с.

4. Москаленко, В.В. Электрический привод: [учебное пособие] / В.В. Москаленко.- 2-е изд., стер.- М.: Академия, 2004.- 368 с.

5. Терехов, В.М. Элементы автоматизированного электропривода: [Учеб. для вузов по спец. «Электропривод и автоматизация пром. установок»] / В.М. Терехов.- М.: Энергоатомиздат, 1987.- 221, с.

6. Чиликин, М.Г. Общий курс электропривода: Учебник для электромех. и электроэнерг. вузов.- 6-е изд.доп.и перераб. — М.: Энергоиздат, 1981.- 576с.

7. Системы автоматизированного управления электроприводами: Учеб.пособие / Г.И. Гульков, Ю.Н. Петренко, Е.П. Раткевич, О.Л. Симоненкова; Под общ. Ред. Ю.Н. Петренко.- Мн.: Новое знание, 2004. – 384 с.

Дата добавления: 2020-04-05 ; просмотров: 61 ; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ

5 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ.
КЛАССИФИКАЦИЯ, ОТЛИЧИЯ, ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА

Преобразователь частоты — силовой электронный прибор, который преобразует энергию переменного тока фиксированного напряжения и частоты в энергию с переменным напряжением и частотой [4].
Различают преобразователи частоты: с промежуточным звеном постоянного тока, с непосредственной связью питающей сети и цепи нагрузки (циклоконверторы), с промежуточным звеном переменного тока (циклоинверторы) [6]. На рис. 7 представлена схема классификации преобразователей частоты.

Для управления скоростью асинхронного короткозамкнутого электродвигателя широкое распространение получили преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Переменное напряжение питающей сети выпрямляется с помощью управляемого выпрямителя, фильтруется и подается на инвертор. Функции регулирования частоты выходного напряжения осуществляет инвертор, а напряжения — выпрямитель. Иногда обе функции осуществляет инвертор, а выпрямитель выполняется неуправляемым. Преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока позволяют регулировать выходную частоту с помощью системы управления инвертора в широком диапазоне как вверх, так и вниз от частоты питающей сети.

Рис. 7 Классификация преобразователей частоты

ПЧ — преобразователь частоты;
ПЧ ИТ — преобразователь частоты источник тока;
ПЧ ИН — преобразователь частоты источник напряжения;
ПЧ АИМ — преобразователь частоты с амплитудно-импульсной модуляцией;
ПЧ ШИМ — преобразователь частоты с широтно-импульсной модуляцией

Недостатком преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока является двойное преобразование энергии, что приводит к уменьшению КПД. Однако такой тип преобразователя частоты и схема управления им проще, чем преобразователя с непосредственной связью.
Преобразователь частоты Источник Тока (ПЧ ИТ) — имеет промежуточное звено постоянного тока, выход которого представляет собой управляемые импульсы тока, переменной частоты, которые подаются на различные фазы трехфазной системы. Этот преобразователь имеет большой импеданс и работает, как источник тока для двигателя [2].
Преобразователь частоты Источник Напряжения (ПЧ ИН) — имеет промежуточное звено постоянного напряжения, на выходе которого пульсирующее напряжение или последовательность импульсов напряжения.
Ниже сравниваются два типа преобразователей частоты: преобразователь частоты источник напряжения и преобразователь частоты источник тока.

Преобразователь частоты типа ИН (Источник напряжения)
Схема

Выходной импеданс: Маленький (источник напряжения)
Регенерация энергии Требуется дополнительная цепь
Сглаживающий элемент Конденсатор

Частотный преобразователь типа ИТ (Источник тока)
Схема

Выходной импеданс: большой (источник тока)
Регенерация энергии: дополнительная цепь не требуется
Сглаживающий элемент: реактор

Преобразователь частоты источник напряжения в свою очередь подразделяется на два типа. Первый — ПЧ АИМ с амплитудной импульсной модуляцией (АИМ) и второй — ПЧ ШИМ с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).
Амплитудная импульсная модуляция — это метод управления, при котором изменение амплитуды импульса напряжения (высоты импульса) на входе выпрямителя синхронно приводит к изменению частоты на выходе из инвертора.
Объяснение этого принципа представлено на рис. 8.

Рис. 8 Амплитудная импульсная модуляция

Выходная форма напряжения — прямоугольная, содержащая большое количество гармоник низких степеней, включая 5-ю и 7-ю гармоники, что приводит к пульсации момента двигателя [2].
Широтно-импульсная модуляция — это метод управления, при котором амплитуда напряжения (высота импульса) остается постоянной на выходе выпрямителя, а на выходе инвертора ширина импульсов напряжения и их количество на полупериод регулируется.

Преобразователи частоты

Описание категории «Преобразователи частоты

Преобразователи частоты – многофункциональные, интеллектуальные устройства предназначенные для управления работой трехфазных и однофазных асинхронных и синхронных электродвигателей : частотой вращения, пуска останова двигателя, согласно заданной программе или управляющим сигналам и защиты электропривода от токов перегрузки, перекоса фаз и короткого замыкания.

Принцип работы преобразователей частоты скорость электродвигателя высчитывается по формуле N=2*частоту в сети*60/количество полюсов.

Изменить частоты вращения двигателей переменного тока возможно следующими способами:

  • Путем изменения количества полюсов электродвигателя. Двигатели переменного тока имеют фиксированное число полюсов, при этом некоторые серии имеют возможность изменять количество подключаемых полюсов, тем самым изменяя скорость вращения – (многоскоростные электродвигатели)
  • Путем изменения частоты переменного током. Данный способ изменения частоты двигателя заложен в принципе работы частотного преобразователя. Питающее переменное напряжение преобразуется в постоянный ток с помощью выпрямителя, а затем согласно заданной программе с помощью инвертора преобразуется в ток необходимой частоты и амплитуды.

Преимущества использования преобразователей частоты.

  • Уменьшение пиковых токов при пуске электродвигателей – при пуске двигателя прямым выключением с помощью пускателей происходит скачкообразное увеличение тока 7-15 раз в зависимости от режима работы, что негативно влияет на электрооборудование электропривода (подгорают контакты пускателей и коммутационной аппаратуры, возможен риск пробоя изоляции кабелей). Механическая часть электропривода также в момент пуска подвергается значительным нагрузкам, что сокращает срок эксплуатации и может привести к преждевременному выходу из строя оборудования. При использовании частотных преобразователей благодаря плавному пуску пусковые токи и рывки при пуске значительно снижаются.
  • Снижение энергопотребления. Зачастую электродвигатели в вентиляционном и насосном оборудовании работающие без частотного преобразователя, работают с единой частотой, при этом управление потоков воздуха или воды осуществляется с помощью шиберов и заслонок. Использование преобразователя позволяет изменять частоты вращения и мощность электродвигателя согласно необходимым параметрам, что иногда до 30% снижает затраты на электроэнергию.
  • Построение автоматизированных систем – при программировании преобразователя задается алгоритм работы согласно управляющим сигналам, что позволяет автоматизировать процесс работы производственных линий, транспортного и упаковочного оборудования
  • Защита преобразователей

Несмотря на то, что в большинстве серий частотных приводов установлена защита от токов перегруки, КЗ, обычно преобразователь защищают мотор автоматами и реле контроля фаз.

Классификация частотных преобразователей.

  1. По номинальному выходному току –максимальная величина тока на выходе преобразователя. Основная характеристика для подбора преобразователя,
  2. По количеству фаз электродвигателя
  3. По номинальному напряжению
  4. По типу управления
    • Скалярный тип управления
    • Векторый тип управления
    • Управление моментов электродвигателя

Условно преобразователи можно разделить по функциональному назначению:

  • HVAC приводы – используются в системах вентиляции, кондиционирования и насосном оборудовании. К таким частотникам относятся модели ATV212, ACS310, Danfoss VLT Micro Drive. На их основе собираются шкафы управления HVAC — к примеру для управления приточно-вытяжными вентиляционными установками
  • Общепромышленные приводы – предназначены для управления работой привода на производстве, конвейерных и транспортных линиях. Наиболее популярные модели — ATV312, ATV630, ATV930 (Schneider Electric); ACS580 (ABB)
  • Дополнительные устройства преобразователей частоты, входящие в конструкцию преобразователя или устанавливаемые отдельно.
  • Дроссели – устройства, защищающие частотный привод от перегрузок при большой длине кабеля
  • Электромагнитный фильтр ЭМС — для защиты от наводимых высокочастотных помех
  • Тормозные резисторы –устройства для преобразования электрической энергии в тепловую. (Электрическая энергии образуется в момент останова и торможения, в этом случае электродвигатель работает по принципу генератора.)

Глава пятая ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С СЕТЕВОЙ КОММУТАЦИЕЙ

5.1. Общие сведения

Классификации преобразователей.

Основными силовыми электронными устройствами являются преобразователи, осуществляющие преобразование электроэнергии, т.е. изменение одного или нескольких ее параметров посредством электронных силовых приборов, без существенных потерь мощности (МЭК 551-11-02). Такими параметрами обычно являются напряжение, частота, число фаз и т.п. Силовые преобразователи подразделяются на следующие типы [45]:

  • • преобразователи переменного/постоянного тока [преобразующие переменный ток в постоянный (и) или наоборот];
  • • преобразователи переменного тока (преобразующие переменный ток в переменный);
  • • преобразователи постоянного тока (преобразующие постоянный ток в постоянный).

Среди преобразователей первого типа [45] различают:

  • • преобразователи с преобладанием свойств источника напряжения (с низким полным внутренним сопротивлением для гармоник тока на стороне постоянного тока, которое обеспечивается, например, подключением конденсатора параллельно шинам постоянного тока);
  • • преобразователи с преобладанием свойств источника тока (имеющие высокое полное сопротивление для гармоник тока и сглаженный ток на стороне постоянного тока, который обеспечивается, например, последовательно включенным с главной цепью постоянного тока реактором).

Ранее подобная терминология относилась в основном к инверторам тока и инверторам напряжения.

К преобразователям переменного/постоянного тока относятся выпрямители — преобразователи переменного тока в постоянный и инверторы — преобразователи постоянного тока в переменный, а также обратимые преобразователи, сочетающие те и другие преобразователи.

В связи с расширением использования многозвенных преобразователей в нормативных документах [45] приведены термины «прямой и непрямой преобразователи», которые относятся ко всем видам преобразователей (рис. 5.1). Прямые преобразователи осуществляют непосредственное (без промежуточных звеньев) преобразование электроэнергии внешнего источника в электроэнергию с требуемыми параметрами. Непрямые преобразователи содержат промежуточные звенья

Рис. 5.1. Классификация основных схем электронных силовых преобразователей

преобразователей переменного или постоянного тока. Классическим примером непрямого преобразователя, получившего широкое распространение в системах электропитания различных аппаратов, является преобразователь, состоящий из трех основных звеньев: выпрямителя с бестрансформаторным входом, инвертора повышенной частоты с трансформаторным выходом и выходным выпрямителем, преобразующим напряжение повышенной частоты в напряжение постоянного тока. Непрямые преобразователи имеют меньшие удельные массогабаритные показатели по сравнению с традиционными выпрямителями напряжения сети с трансформатором на входе.

По основным выполняемым функциям некоторые виды силовых электронных преобразователей обычно относят к электронным силовым регуляторам и (или) силовым электронным прерывателям. В МЭК 551-13 дано определение регулятора переменного тока как прямого преобразователя переменного напряжения, а также определения прерывателей переменного и постоянного тока, осуществляющих включение и выключение электрической цепи. По существу к регуляторам следует отнести прямые преобразователи, основной функцией которых является регулирование параметров сети: напряжения, тока и пр. — при различных возмущениях.

Важными классификационными признаками, отражающими принцип действия преобразователя, а следовательно, и его функциональные возможности являются вид используемых силовых ключей и способы их коммутации. Все силовые электронные ключи можно подразделить на не полностью управляемые и полностью управляемые.

К первой группе ключей относятся диоды, управляемость которых ограничивается включением под воздействием прямого напряжения, и обычные, традиционные тиристоры. Ко второй группе ключей относятся все электронные ключи, включение и выключение которых осуществляется подачей на их управляющий вход токов или напряжений.

Электронные ключи различаются способами коммутации. Коммутацией в электронном преобразователе принято называть переход тока с одного или нескольких одновременно проводящих ключей на другой ключ в течение конечного интервала времени, когда выключаемый и включаемый ключи одновременно находятся в проводящем состоянии. Коммутация диодов возможна под воздействием переменного напряжения, например электрической сети. Для тиристоров такая коммутация также обеспечивается в результате изменения полярности напряжения внешнего источника. Поэтому преобразователи с силовыми ключами первой группы называются преобразователями с сетевой коммутацией (МЭК 551-16-12). Этот термин достаточно полно отражает основные принципы действия отдельных видов преобразователей. К таким преобразователям может быть отнесено большое количество типов устройств, приведенных на рис. 5.1.

Иногда преобразователи классифицируются по следующим признакам:

  • • номинальной мощности (малой, средней, большой);
  • • рабочим напряжению и токам (низкого или высокого напряжения, малых и больших токов);
  • • значениям частоты входного или выходного напряжения (низкочастотные, высокочастотные);
  • • числу фаз (однофазные, трехфазные, многофазные);
  • • модульному принципу исполнения (многоячейковое, многоуровневое и др.);
  • • способам коммутации тиристоров (с конденсаторной коммутацией, коммутацией ?С-контуром, коммутацией иод воздействием резонансных процессов в нагрузке и др.);
  • • наличию резонансных цепей для снижения коммутационных потерь (квази- резонансные преобразователи постоянного тока и др.);
  • • способам регулирования (по входу, изменением алгоритма управления силовыми ключами, по выходу и др.).

Основные виды преобразователей эл. энергии и классификация преобразователей .

Метод управления электродвигателем Диапазон регулирования скорости Погрешность скорости 3 , % Время нарастания момента, мс Пусковой момент Цена Стандартные применения
Скалярный 1:10 1 5-10 Не доступно Низкий Очень низкая Низкопроизводительные: насосы, вентиляторы, компрессоры, ОВК (отопление, вентиляция и кондиционирование)
Векторный Линейный Полеориентированное управление >1:200 2 1:200 2 Нелинейный Прямое управление моментом с таблицей включения >1:200 2 1:200 2

Электрическая энергия вырабатывается на электрических станциях и передается потребителям главным образом в виде переменного трехфазного тока промышленной частоты 50 Гц. Однако как в промышленности, так и на транспорте имеются установки, для питания которых переменный ток частотой 50 Гц непригоден.

К числу основных видов преобразования электрической энергии относят:

1. выпрямление переменного тока;

2. инвертирование тока;

3. преобразование частоты;

4. преобразование числа фаз;

5. преобразование постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения;

6. формирование определенной кривой переменного напряжения (например, мощных импульсов тока), которые находят применение в специальных установках.

Реально существует большой класс преобразователей, которые делят на:

7. ведомые, зависимые от сети. Осуществляется периодический переход тока с одного вентиля на другой, коммутация тока осуществляется под действием переменного напряжения какого-либо внешнего источника;

8. автономные. Коммутация осуществляется специальной электрической цепью, формирующей управляющие сигналы.

Классификация преобразователей электрической энергии по назначению:

9. преобразователи с естественной коммутацией, в которых цепь переменного тока связана с цепью постоянного тока. Эти преобразователи обеспечивают передачу энергии в обоих направлениях. Различают выпрямительный и инверторный режимы их работы;

10. преобразователи с принудительной коммутацией, с помощью которых связана цепь постоянного тока с переменной. Также обеспечивают работу в двух режимах, но в основном в инверторном режиме;

11. преобразователи с принудительной коммутацией, разделяющие две цепи постоянного тока (прерыватели постоянного тока);

12. преобразователи с естественной или принудительной коммутацией, разделяющие две цепи переменного тока одной частоты (прерыватели переменного тока);

13. специальные преобразователи, представляющие собой комбинации всех остальных (например, преобразователь частоты со звеном постоянного тока);

14. преобразователи с естественной и принудительной коммутацией, связывающие цепи переменного тока разных частот (преобразователи частоты).

1. Выпрямление переменного тока — преобразование переменного тока (обычно промышленной частоты) в постоянный ток. Этот вид преобразования получил наибольшее развитие, так как часть потребителей электрической энергии может работать только на постоянном токе (электрохимические и электрометаллургические установки, линии передачи постоянного тока, электролизные ванны, заряжаемые аккумуляторные батареи, радиотехническая аппаратура и т.д.), другие же потребители имеют на постоянном токе лучшие характеристики, чем на переменном токе (регулируемые электродвигатели).

2. Инвертирование тока — преобразование постоянного тока в переменный. Инвертор применяется в тех случаях, когда источник энергии генерирует постоянный ток (электромашинные генераторы постоянного тока, аккумуляторные батареи и другие химические источники тока, солнечные батареи, магнитогидродинамические генераторы и т.д.), а для потребителей нужна энергия переменного тока. В ряде случаев инвертирование тока необходимо при других видах преобразования электрической энергии (преобразование частоты, преобразование числа фаз).

3. Преобразование частоты — преобразование переменного тока одной частоты (обычно 50 Гц) в переменный ток другой частоты. Такое преобразование необходимо для питания регулируемых электроприводов переменного тока, установок индукционного нагрева и плавки металлов, ультразвуковых устройств и т. д.

4. Преобразование числа фаз. В ряде случаев встречается необходимость в преобразовании трехфазного тока в однофазный (например, для питания дуговых электропечей) или, наоборот, однофазного в трехфазный. Так, на электрифицированном транспорте используется контактная сеть однофазного переменного тока, а на электровозах используются вспомогательные машины трехфазного тока. В промышленности используются трехфазно-однофазные преобразователи частоты с непосредственной связью, в которых наряду с преобразованием промышленной частоты в более низкую происходит и преобразование трехфазного напряжения в однофазное.

Разработаны различные типы преобразователей (ПР), которые обладают 1 общим признаком: управляют потоком энергии путем вкл/выкл СПП, или за счет циклической переда­чи тока от одного СПП к другому (коммутация).

Наиболее часто ПР классифицируют по виду коммутации и различают ПР с естес­твенной и принудительной коммутацией. В ПР с естественной коммутацией цикли­ческая коммутация СПП происходит под действием «

» напряжением источника пита­ния. В ПР принудительной коммутацией коммутация происходит под действием допол­нит. коммутирующих узлов или системы управления. По назначению ПР делят на:

1. ПР с ест. комм., связывающие цепь «

» тока с цепью «-» тока и наоборот. Эти ПР обеспечивают передачу энергии в обоих направлениях и в зависимости от направления передачи различают выпрямительный и инверсный режимы их работы

2. ПР с принудительной коммутацией, связывающих цепь «-» тока с цепью «

» тока. Обеспечивают передачи в обоих направлениях, однако используются в инверторном режиме.

3. ПР с принудительной коммутацией, разделяющие цепи «-» и «

» тока называемые прерывателями «-» тока.

4. ПР с естеств. или принудительной коммутацией, разделяющие две цепи «

» тока одной частоты, называемые прерывателями «

5. ПР с естеств. или принудительной коммутацией, связывающие сети «

» тока разной частоты, называемые преобразователи частоты.

6. Смешанные преобразователи.

Неотъемлемой частью ПР является различные схемы управления, регулирования, защиты. Для управлением ПР требуется незначительная, поэтому передача и обработка управляющей информации происходит при малом расходе энергии.

Дата добавления: 2015-04-18 ; просмотров: 124 ; Нарушение авторских прав

Преобразователи частоты.

Для реализации частотного управления электропривода переменного тока наиболее перспективными являются полупроводниковые преобразователи частоты.

Классификация преобразователей частоты на полупроводниковых элементах.

Эти преобразователи частоты (ПЧ) можно разделить на два вида- ПЧ на полностью управляемых элементах (транзисторные и на полностью управляемых тиристорах) и ПЧ- на полууправляемых вентилях- тиристорах. Каждый из видов имеют свои достоинства и недостатки, но общим главным достоинством полупроводниковых ПЧ является возможность экономичного регулирования частоты вращения наиболее массового, дешевого и надежного асинхронного электропривода с двигателем, имеющим короткозамкнутый ротор. В ПЧ управлению подлежат две выходные координаты- амплитуда напряжения, или тока нагрузки Um, Im и частота изменения напряжения или тока fn. Соответственно двум выходным координатам ПЧ располагает двумя входными координатами- сигналом управления напряжением, или током Uу.н. (Uу.т.) и сигналом управления частотой Uу.f. (рис 75).

Современные ПЧ на полууправляемых вентилях — тиристорах можно разделить на два основных класса — ПЧ с автономными инверторами (с промежуточной цепью постоянного тока) и ПЧ с непосредственной связью нагрузки с сетью (непосредственные ПЧ).

Каждый электрик должен знать:  Гудит помпа в стиральной машине при сливе воды - причина
Добавить комментарий
Читайте также:

  1. CASE-средства. Общая характеристика и классификация
  2. I. Основные термины курса
  3. S: Перечислите основные направления в исламе.
  4. S: Перечислите основные направления в исламе.
  5. S: Перечислите основные направления протестантизма.
  6. S: Перечислите основные причины возникновения религии.
  7. V2:2 Основные мировые религии.
  8. А Классификация и общая характеристика основных методов контроля качества.
  9. Аграрная реформа П.А. Столыпина: основные задачи и последствия;
  10. Адаптации, определение понятия, классификация.