I. Общие сведения

Преобразователь частоты — это устройство управления электроприводом, преобразующее переменный ток фиксированной частоты в переменный ток изменяемой частоты и напряжения. Современные преобразователи в основном построены по схеме переменный — постоянный — переменный (VVVF или векторное управление): сначала сетевое питание промышленной частоты выпрямляется в постоянный ток, затем постоянный ток преобразуется в переменный с регулируемыми частотой и напряжением для питания двигателя.

Схема преобразователя обычно состоит из четырёх частей: выпрямителя, промежуточного звена постоянного тока, инвертора и системы управления. Выпрямительная часть обычно представляет собой трёхфазный мостовой неуправляемый выпрямитель, инверторная — трёхфазный мостовой инвертор на IGBT с выходом в виде ШИМ.

II. Выпрямительная схема

1. Назначение и функции

Выпрямительная схема преобразует переменный ток промышленной частоты (обычно 50 или 60 Гц) в постоянный. В универсальных преобразователях она выполнена на трёхфазном мостовом выпрямителе и после сглаживания в промежуточном звене обеспечивает постоянным током инвертор и схему управления.

2. Состав и типы

Распространены два типа выпрямителей: неуправляемый (например, диодный) и управляемый (например, тиристорный).

• Неуправляемый выпрямитель: простая конструкция, низкая стоимость, но выходное напряжение не регулируется

• Управляемый выпрямитель: выходное напряжение регулируется изменением угла открывания

Трёхфазное питание обычно подаётся на вход выпрямительного моста через цепь демпфирующих конденсаторов и варисторов, которая поглощает высокочастотные гармоники сети и импульсные перенапряжения, предотвращая повреждение преобразователя.

3. Ключевые параметры

При напряжении питания 380 В максимальное обратное напряжение выпрямительных элементов обычно составляет 1200–1600 В, а максимальный выпрямленный ток — двойной номинальный ток преобразователя.

III. Промежуточное звено постоянного тока

1. Назначение и функции

Промежуточное звено фильтрует и накапливает энергию постоянного тока с выхода выпрямителя. Оно стабилизирует или сглаживает пульсирующее выпрямленное напряжение для инвертора и может рассматриваться как накопитель энергии: двигатель получает энергию из промежуточного звена через инвертор, а при замедлении или торможении энергия, возвращаемая двигателем, также может накапливаться.

2. Состав и типы

Промежуточное звено обычно состоит из фильтрового конденсатора и дросселя. Конденсатор сглаживает пульсации постоянного напряжения, дроссель ограничивает скорость изменения тока и повышает устойчивость цепи постоянного тока.

Промежуточные звенья бывают трёх типов:

• преобразование выпрямленного напряжения в постоянный ток

• стабилизация или сглаживание пульсирующего постоянного напряжения для питания инвертора

• преобразование фиксированного выпрямленного напряжения в регулируемое постоянное напряжение

3. Отличия преобразователей с инвертором тока и инвертором напряжения

По способу накопления энергии в звене постоянного тока преобразователи делятся на:

• с инвертором тока: в промежуточном звене применяется большой дроссель, реактивная мощность сглаживается им, а рекуперируемая энергия может напрямую возвращаться в сеть

• с инвертором напряжения: в промежуточном звене применяется большой конденсатор, реактивная мощность нагрузки сглаживается им, а возврат реактивной энергии в сеть затруднён

IV. Инверторная схема

1. Назначение и функции

Инверторная схема под управлением схемы управления преобразует постоянный ток в переменный с произвольно регулируемыми частотой и напряжением. Выход инвертора является выходом преобразователя, поэтому инвертор — одна из ключевых схем преобразователя, играющая очень важную роль.

2. Состав и принцип работы

Инвертор обычно состоит из нескольких силовых электронных ключей (биполярный транзистор с изолированным затвором IGBT, МОП-транзистор MOSFET и др.). Управляя включением и выключением этих ключей, постоянный ток преобразуют в переменный различной частоты и напряжения.

Наиболее распространённая схема — трёхфазный мостовой инвертор на шести силовых ключах (GTR, IGBT, GTO и др.); упорядоченно управляя включением и выключением ключей, можно получить трёхфазный выход любой частоты.

Схема управления по заданным сигналам частоты и напряжения формирует сигналы широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и управляет включением и выключением ключей инвертора. Изменяя скважность и частоту ШИМ-сигнала, регулируют напряжение и частоту выходного переменного тока.

3. Вспомогательные схемы

В инверторе предусмотрена схема обратного тока, обеспечивающая путь для возврата рекуперируемой энергии асинхронного двигателя в цепь постоянного тока при снижении частоты. Кроме того, одновременное открытие двух ключей одного плеча приводит к короткому замыканию и выходу из строя коммутационных элементов, поэтому в универсальных преобразователях предусмотрены буферные и другие вспомогательные схемы, обеспечивающие нормальную работу и защиту коммутационных элементов при аварийных ситуациях.

В преобразователях малой и средней мощности силовые элементы главной цепи обычно выполняются в виде интегрированных или интеллектуальных модулей, в которых объединены выпрямительный модуль, инверторный модуль, датчики, схемы защиты и управления.

V. Схема управления

1. Назначение и функции

Схема управления — центральная часть преобразователя. Она передаёт сигналы выпрямителю, промежуточному звену и инвертору и одновременно принимает сигналы от них. По внешним управляющим сигналам (задание частоты, задание напряжения и др.) и сигналам обратной связи (частота вращения, ток двигателя и др.) она по определённому алгоритму формирует управляющие сигналы, включает и выключает ключи инвертора и тем самым точно регулирует частоту и напряжение выходного переменного тока.

Основные задачи схемы управления — коммутационное управление инвертором, регулирование напряжения выпрямителя и выполнение различных защитных функций.

2. Состав и способы управления

Схема управления обычно состоит из вычислительной схемы, схемы измерения, схемы ввода-вывода управляющих сигналов и схемы драйвера. Управление может быть аналоговым или цифровым. Многие современные преобразователи используют микропроцессорное полностью цифровое управление: аппаратная часть максимально упрощена, а функции реализуются программно.

Распространённые способы управления:

• Скалярное управление V/F: одновременное регулирование частоты и напряжения преобразователя

• Управление по частоте скольжения: усовершенствованный вариант V/F-управления

• Векторное управление: ток статора асинхронного двигателя разделяется на составляющую по магнитному потоку и составляющую по моменту, которые регулируются отдельно, что придаёт асинхронному двигателю регулировочные свойства, близкие к двигателю постоянного тока

• Прямое управление моментом: момент является непосредственно регулируемой величиной; это новая технология частотного регулирования асинхронного привода, появившаяся после векторного управления

VI. Итог

Полный рабочий процесс преобразователя можно представить так:

• Выпрямление: сетевое питание промышленной частоты подаётся в преобразователь, выпрямитель преобразует его в пульсирующий постоянный ток

• Обработка в промежуточном звене: фильтровый конденсатор сглаживает пульсирующий постоянный ток до относительно стабильного напряжения и одновременно накапливает энергию

• Инвертирование: схема управления формирует ШИМ-сигналы, управляет ключами инвертора и преобразует постоянный ток в переменный с регулируемыми частотой и напряжением

• Регулирование скорости: изменением частоты выходного переменного тока достигается точное управление частотой вращения двигателя (n = 60f/p, где f — частота питания, p — число пар полюсов)

Эти четыре части работают совместно, обеспечивая главную функцию преобразователя — преобразование сетевого питания в переменный ток с регулируемыми частотой и напряжением.