Частотні перетворювачі 15 років тому були дуже дорогими і рідкісними пусковими системами, які для більшості суспільства були т.зв. «чорний ящик», до якого необхідно було підключити кабелі живлення та управління. В даний час перетворювачі частоти, які часто називають інверторами, є найпоширенішою формою запуску та регулювання швидкості обертання двигунів. Постійно зростаючі потреби в автоматизації промислових процесів, збільшення швидкості виробництва та його ефективності є основними факторами, які вплинули на розвиток інверторного ринку в Польщі та в усьому світі.
Технологічний стрибок у напівпровідникових компонентах і їх зниження ціни також відіграли велику роль у цьому. В даний час перетворювачі частоти можна зустріти практично скрізь: на промислових підприємствах, кафе, очисних спорудах, ресторанах, універмагах і житлових будинках. Перші системи перетворювачів були створені в 1960-х роках, але, незважаючи на те, що з моменту їх появи минуло 50 років, основні принципи роботи і загальна структурна схема залишилися незмінними.
У цій статті ви прочитаєте про це:
- Чому перетворювачі частоти набули такої популярності та так потрібні в різних галузях промисловості?
- Як виглядали в минулому системи пуску і регулювання асинхронних і асинхронних двигунів і в чому їхня недосконалість?
- Як регулюються оберти двигуна і які існують 4 способи його запуску?
- Ви також дізнаєтесь про те, як працює інвертор.
Ознайомтеся з інверторами в оптовому магазині Onninen
Регулювання швидкості двигуна
Способи регулювання швидкості:
- зміна ковзання, викликана включенням керуючого резистора в ланцюг ротора двигуна з контактним кільцем. Таке регулювання мало ряд недоліків: відсутність повного регулювання швидкості, великі втрати енергії, інтенсивність відмов і велика кількість резисторів і контактних елементів, великі обмеження по потужності і кількості пусків;
- зміна кількості пар полюсів двигуна. Також відсутність повного регулювання (ступінчаста зміна швидкості), наявність систем перемикання;
- зміна частоти живлення двигуна (важко реалізувати).
Чотири способи запуску двигуна
Методи запуску з перевагами та недоліками:
- Прямий старт. Один із найпоширеніших методів пуску та один із найбільш небажаних через дуже значний стрибок струму (зазвичай пусковий струм у 4-8 разів перевищує номінальний струм) та пов’язані з цим проблеми (механічні навантаження, гідроудар на насосах). , ривки конвеєрів і т.д.);
- Запуск зіркою/трикутником. Також дуже популярний спосіб завантаження. До недоліків належать: все ще високий пусковий струм, низький пусковий момент, відмова контактних елементів, удвічі більше кабельних вводів. Переваги: обмеження пускового струму в часі, низька вартість установки.
- Запуск з пристрою плавного пуску. Як випливає з назви, пристрої плавного пуску - це пристрої для плавного пуску та зупинки електродвигунів. На жаль, ми не можемо регулювати оберти двигуна за допомогою пристрою плавного пуску. Пусковий струм, залежно від способу пуску (регулювання напруги, регулювання моменту в двох або трьох фазах) і кількості регульованих фаз, становить від 2 до 6 разів номінального струму. Переваги: щадне наростання струму (без механічних навантажень, без стрибків струму), регульований час пуску, високий пусковий момент. Недоліки: недостатня досконалість керування в пристроях плавного пуску з регульованими двома фазами, відсутність регулювання швидкості.
- Починаючи з перетворювача частоти. Найкращий спосіб запуску двигуна завдяки: дуже низькому пусковому струму (при відповідній конфігурації налаштувань пусковий струм не перевищує номінального), повному регулюванню обертів двигуна, повному захисту та нагляду за роботою двигуна, компенсації реактивної потужності , економія електроенергії, зниження витрат на експлуатацію машин, мінімізація кількості відмов тощо.
Ознайомтеся з продукцією LS Electric в оптовому магазині Onninen
Різні типи перетворювачів частоти
Численні проблеми і труднощі, пов'язані з основними способами пуску електродвигунів, викликали і змусили швидко і динамічно розвиватися, перш за все, тиристорних систем плавного пуску (стартерів плавного пуску), а потім перетворювачів частоти. Ці пристрої є найкращим способом регулювання, захисту та керування електродвигунами. Для роботи асинхронних асинхронних двигунів використовуються типові стандартні перетворювачі частоти.
Однак на ринку можна знайти перетворювачі з численними алгоритмами керування, призначені для синхронних двигунів (PMSM - синхронні двигуни з постійними магнітами), реактивних двигунів або BLDC (безщіточні двигуни постійного струму з постійними магнітами). Переважна більшість промисловості все ще зосереджується на асинхронних двигунах через їх низьку ціну. Як ви можете легко побачити, використання перетворювачів частоти приносить багато переваг. Без сумніву, це найкращий спосіб запуску та регулювання двигунів. Беручи до уваги безперервну тенденцію до зниження цін на конвертери та лінійне зростання їх можливостей з часом, попит на ці пристрої продовжить зростати в найближчі роки.
Основні складові блоки інвертора
У кожному перетворювача частоти можна виділити чотири основних складових блоки (див. рис. 1):
- Випрямляч, тобто т.зв вступний етап;
- Схема проміжного кола;
- Власне інверторний елемент, вихідний каскад;
Ознайомтеся з продукцією LS Electric в оптовому магазині Onninen
Як працює перетворювач частоти?
Основним завданням вхідного каскаду перетворювача є випрямлення змінного струму, що споживається від даного джерела. Тут слід вказати кілька конструкцій випрямляча: некерований діод з різною кількістю імпульсів (6, 12, 18, 24 і більше); наполовину керовані (діод - тиристор) і повністю керовані, на основі транзисторів IGBT.
Найбільш поширеними є конструкції на основі діодних випрямлячів. Це, звичайно, найдешевші конструкції, але вони також найбільше впливають на THD (коефіцієнт гармонійних спотворень). Діодний випрямляч є нелінійним навантаженням, що сильно впливає на спотворення струму. Щоб зменшити коефіцієнт THD до відповідного значення, використовуйте один із доступних фільтрів THD: вхідні дроселі, дроселі ланцюга постійного струму, пасивні фільтри LCL, активні фільтри THD. Випрямлена імпульсна напруга на виході випрямляча має величину порядку 1,35 діючого значення міжфазної напруги мережі.
Потім сигнал надходить до проміжного ланцюга перетворювача, який зазвичай утворює конденсатор або батарею конденсаторів. Проміжна ланцюг виконує подвійну функцію: вона згладжує пульсацію напруги, що надходить від випрямляча, і в той же час накопичує енергію, необхідну для приводу двигуна. Дуже часто виробники також включають в проміжну ланцюг два важливих елемента: дросель постійного струму і гальмівний транзистор (переривник).
- Дросель постійного струму є одним із способів боротьби з гармонічним вмістом. Це також значно покращує коефіцієнт потужності.
- Гальмівний транзистор необхідний, коли потрібно дуже швидко зупинити високу інерцію на валу двигуна.
Під час гальмування двигун перемикається в режим регенерації. Двигун стає генератором, який подає енергію в перетворювач. Ця енергія накопичується на конденсаторі, який має кінцеву ємність. Після перевищення ліміту напруги на конденсаторі перетворювач відключається від двигуна з помилкою занадто високої напруги на конденсаторі. У такому випадку використовуйте вбудований (або зовнішній) гальмівний модуль, який, у свою чергу, підключається до гальмівний резистор . Після перевищення ліміту заряду транзистор передасть живлення на зовнішній гальмівний резистор. Енергія буде втрачатися на резисторі у вигляді тепла, а перетворювач буде постійно керувати двигуном.
За проміжним ланцюгом перетворювача знаходиться власне інверторний елемент, який перетворює випрямлену постійну напругу в змінну з відповідною амплітудою і частотою. Двигун підключається безпосередньо до інверторного елементу. Основними компонентами інвертора є керовані силові напівпровідники. Раніше це були тиристори, пізніше через більш швидкий час перемикання їх замінили транзисторами IGBT (біполярний транзистор з ізольованим затвором). Напівпровідники працюють у двох станах, тому часто називають «транзисторний перемикач».
Частота перемикання транзисторів досягає 20 кГц (20 000,00 змін в секунду!). Комутація напівпровідників здійснюється за допомогою керуючих сигналів, що формуються в системі керування перетворювачем. Сигнали керування можуть формуватися за різними алгоритмами та методами. В даний час найпоширенішим методом є ШІМ-модуляція (широтно-імпульсна модуляція).
Цей спосіб полягає в тому, що схема управління визначає тривалість періодів вмикання і вимикання відповідних пар транзисторів. Три гілки інвертора (по два транзистори на гілки) створюють вісім можливих комбінацій відкритих/закритих напівпровідникових вентилів. Це створює вісім різних векторів напруги на виходах інвертора (див. рис. 2). Решта проміжних векторів отримують шляхом комбінування (сумування) обраних головних векторів для відповідних часів.
Залежно від частоти перемикання напівпровідникових вентилів на виході інвертора з'являється синусоїда більш-менш пологої форми. Зазвичай користувач має можливість налаштувати відповідну несучу частоту в самому пристрої. При встановленні занадто високої несучої частоти на напівпровідниках виділяється занадто багато тепла, що призводить до втрати потужності перетворювача (виробники зазвичай надають графіки залежності несучої частоти від потужності в посібниках користувача). , двигун може почати шуміти.
Перетворювачі частоти - скалярне і векторне керування
Кожен перетворювач частоти, що випускається в даний час, має можливість як скалярного, так і векторного керування. Скалярне керування, яке часто називають керуванням U/f (читається від U до f), є найпростішим способом керування двигуном, який не змінювався з 1970-х років.
Скалярний режим заснований на постійному відношенні напруги до частоти. Не вдаючись у подробиці та вищу математику, постійне співвідношення напруги та частоти забезпечує створення номінального магнітного потоку в двигуні. Таким чином, можна досягти максимального крутного моменту. На жаль, скалярне управління має свої недоліки. На низьких частотах крутний момент дуже низький і часто занадто малий для роботи з високою інерцією. Тому скалярне керування в основному використовується для навантажень зі змінним крутним моментом, таких як насоси або вентилятори. Коли є потреба працювати з постійними навантаженнями крутного моменту або великими моментами інерції, які вимагають великого пускового моменту, слід вибрати векторне керування (описане вище як ШІМ-модуляція з векторним керуванням напруги).
Векторне керування є більш вишуканим. Часто, щоб використовувати цей метод керування, ви повинні спочатку надати всі номінальні дані двигуна, такі як: струм, напруга, потужність, кількість обертів, кількість полюсів, ковзання, коефіцієнт потужності. Потім конвертер виконує операції т.зв. автоналаштування двигуна, тобто автоматично оцінює та обчислює інші дані двигуна з обертанням двигуна та без нього (опір обмотки та індукція, постійна часу ротора та багато інших).
При векторному управлінні перетворювач використовує математичну модель двигуна, реалізовану в сигнальному процесорі. Тому так важливо завжди зберігати всі дані двигуна в конвертері (чим більше і точніше, тим краще управління двигуном) і періодично виконувати автоналаштування (параметри двигуна змінюються з часом і зі зміною умов навколишнього середовища).