Преобразователи частоты

Виды электроприводов и преобразователей частоты

Всегда существовала потребность в регулировании скорости электродвигателей, чтобы оптимально управлять технологическим процессом. Регулирование можно осуществить механически, например, с помощью механического вариатора, либо изменением электрических величин.

Электропривод состоит из электрического двигателя, преобразователя электрической энергии и системы управления. Раньше большое распространение имели электроприводы постоянного тока. В этом случае регулирование осуществляется изменением питающего напряжения двигателя. Однако из-за сложности конструкции двигателя постоянного тока и недолговечности щёточно-коллекторного узла данный тип приводов вытесняется приводами переменного тока. Сейчас асинхронные двигатели получили широкое распространение благодаря относительно небольшой стоимости, высоким эксплуатационным показателям, надёжности. Также бурное развитие электроники удешевило применение частотных преобразователей. В простейшем случае частотного регулирования управление скоростью вращения осуществляется путем изменения частоты и амплитуды напряжения трехфазного источника питания. Существует два основных типа преобразователей частоты: с непосредственной связью и с промежуточным контуром постоянного тока. В первом случае выходное напряжение синусоидальной формы формируется из участков синусоид преобразуемого входного напряжения. Но наибольшее распространение получили преобразователи частоты с промежуточным контуром постоянного тока, выполненные на базе инверторов напряжения.

Характеристики нагрузки и требования к преобразователям частоты

Требования к электроприводу определяются диапазоном требуемых скоростей и типом нагрузки. Зависимость между скоростью вращения и моментом сопротивления неодинакова для нагрузок разного типа. Многие нагрузки могут рассматриваться как имеющие постоянный момент во всем диапазоне изменения скорости. К ним относятся, например, конвейеры, компрессоры и поршневые насосы. Множество фирм - производителей выпускают частотные преобразователи для подобных простых применений. К примеру, запатентованные решения немецкой фирмы КЕВ в области конструирования приводов на данный момент реализованы в преобразователях частоты KEB COMBIVERT F5 серии BASIC, идеально подходящих для применения в транспортёрах и конвейерных системах, станциях управления насосными агрегатами, намоточно-размоточном оборудовании и пр. Аналогичные преобразователи частоты для применения в разомкнутых системах выпускаются и другими фирмами: у Control Techniques (Англия) – это серия преобразователей частоты Commander SK; у BOSCH Rexroth (Германия) – это серия преобразователей частоты Fe. Есть класс устройств (экструдеры, промышленные миксеры), у которых механическая характеристика близка к характеристике насосов и вентиляторов. Но особенность нагрузок такого типа состоит в наличии высокого пускового момента, который с увеличением скорости снижается, а затем, начиная с некоторого значения, характеристика становится квадратичной. Кроме того, существует и большое число нагрузок с совершенно уникальными механическими характеристиками. Поэтому в любом случае выбору электродвигателя и преобразователя частоты должен предшествовать этап анализа характера нагрузки и ее механической характеристики. В зависимости от характера нагрузки преобразователь частоты обеспечивает различные режимы управления электродвигателем, реализуя ту или иную зависимость между скоростью вращения электродвигателя и выходным напряжением.

Преобразователи частоты с U/f управлением

Преобразователи частоты VLT© Micro Drive

Режим с линейной зависимостью между напряжением и частотой (U/f=const) реализуется простейшими преобразователями частоты вышеуказанных серий. Вместе с тем при уменьшении частоты, начиная с некоторого значения, максимальный момент двигателя начинает падать. Для повышения момента на низких частотах в преобразователях предусматривается функция повышения начального значения выходного напряжения (Автобуст), которая используется для компенсации падения момента для нагрузок с постоянным моментом или увеличения начального момента для нагрузок с высоким пусковым моментом, таких, например, как промышленный миксер. Для регулирования электроприводов насосов и вентиляторов используется квадратичная зависимость напряжение/частота (U/f² = const).

Частотные преобразователи с U/f управлением Danfoss VLT©

Частотные преобразователи с U/f управлением KEB серии F5

Частотные преобразователи с U/f управлением Control Techniques серии Commander SK

Преобразователи частоты с виртуальным векторным управлением

Control Techniques Commander SK
Для повышения качества регулирования в преобразователях частоты иногда используются более совершенные методы управления, такие как бессенсорное векторное управление, реализованное, к примеру, в Commander SK. В данном методе управления регулируется не только амплитуда, но и фаза статорного тока. Для управления направлением вектора тока, необходимо знать положение ротора в каждый момент времени. Для этого необходимо наличие датчика положения, что не всегда резонно с точки зрения реализуемой задачи и ведёт к усложнению системы. Поэтому в преобразователях с бессенсорным управлением проблема определения положения ротора решается за счёт применения математического аппарата, т. е. положение определяется вычислениями, на основе текущих величин и параметров двигателя.

Частотные преобразователи с виртуальным векторным управлением KEB серии F5 General

Частотные преобразователи с виртуальным векторным управлением Control Techniques серии Commander SK

Функции торможения в преобразователях частоты

Очень часто требуется контролируемое торможение двигателя. Помимо механического часто применяют и электрическое. Существует несколько способов торможения: простейший – выбег: остановка двигателя по инерции за счёт имеющихся на его валу маховых масс, при этом время останова не регулируется и определяется инерционными свойствами нагрузки. Регулируемое торможение можно осуществить изменением частоты до требуемого значения. Двигатель переходит в генераторный режим и преобразует механическую энергию в электрическую. Эта энергия либо возвращается в сеть (режим рекуперации), либо накапливается в звене постоянного тока, в таких случаях применяется тормозной резистор, при этом также необходима соответствующая коммутирующая схема, направляющая энергию на тормозное сопротивление для преобразования её в тепловую. Данный способ торможения реализован в базовой версии Commander SК, а также возможен в преобразователях частоты КЕВ и BOSCH. Ещё один способ торможения – торможение постоянным током, при этом обмотки двигателя отключаются от сети, а на две фазы подаётся постоянное напряжение.

Преобразователи частоты с обратной связью

Control Techniques Commander SK
Применение частотных преобразователей с обратной связью обеспечивает точное поддержание скорости вращения при переменной нагрузке, что во многих задачах позволяет значительно улучшить качество технологического процесса. У уже упомянутых выше фирм-производителей ПЧ существуют модельные ряды, ориентированные на работу в замкнутой системе: KEB COMBIVERT F5-Multi, рекомендованные к применению в метало- и деревообработке, робототехнике, системах высокоточного позиционирования и пр. Этим требованиям также вполне удовлетворяют преобразователи частоты Control Techniques Unidrive SP.