Тиристорный преобразователь частоты

Общая информация

Простейший преобразователь напряжения тока или частоты (ПЧ) – это электромагнитный, электронный или электромеханический прибор, который преобразует переменный ток одной частоты в переменный ток другой. Устройство может также изменить напряжение, но для этого необходимо  использовать специальные настройки и компоненты. На нашем рынке они представлены такими марками и типами как CSACS550, ACS800, Aqua, ATV, ATV312, ATV61, CIMR, Commander, Control, Cue, Drive, F740, Fdu40, Frenic, Frn, Fuji, Hvac, IC5, Innovert, Keb, L100, L200, L300p, Matlab, Micromaster, Mini, N100, N50, N700e, Nxs, Pr6000, Prostar, S11, Schneider, Sinamics, Smd, Unidrive, Vector, Vfs11, Winner, Yaskawa.

Фото — Цифровой преобразователь частоты

Преобразователь напряжение-частота широко используется для того, чтобы сохранить энергию механических систем, к примеру, двигателя, насоса, вентилятора и т.д. Выбираются приборы в соответствии с кривыми двигателя для обеспечения оптимальной скорости и нагрузки, транзисторный преобразователь может помочь сэкономить энергию двигателя, снижая потери энергии и увеличивая КПД. Это достигается путем преобразования фиксированной частоты входящего переменного тока напряжения в постоянный ток, а затем, варьируя частоту переконвертировать его обратно в переменное напряжение, используя биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).

Бывают преобразователи высокой частоты таких видов:

1. Работающие при помощи звена постоянного тока;
2. Работающие с непосредственной связью.

В основном используется первый тип электропривода, т.к. он обеспечивает двойное преобразование частоты вращения двигателя, при этом контролируется как вход сигнала, так и выход. Рассмотрим подробнее их принцип действия.

Фото — Современные преобразователи частоты

Для чего нужен тиристорный преобразователь частоты ?

Этот вопрос задают множество людей, которым впервые понадобилось подключить трехфазный двигатель насоса или вентилятора. Конечно, любой электродвигатель можно напрямую подключить к сети переменного тока через соответствующую защитную аппаратуру (моторный автоматический выключатель или контактор с тепловым реле).

Насос водяной

Канальный вентилятор

Рассмотрим процессы, происходящие в электродвигателе в момент прямого пуска с помощью автоматического выключателя или кнопки включения контактора на примере обычного трехфазного асинхронного двигателя.

На статорные обмотки электродвигателя подается переменное напряжение, которое генерирует соответствующее электромагнитное поле этих обмоток. Это поле, направленное в сторону ротора, в свою очередь заставляет генерироваться электрический ток в короткозамкнутых витках ротора. Затем ток в обмотках ротора генерирует ответное магнитное поле, которое и приводит к движению ротора относительно статора. Все эти процессы, возникающие в момент пуска, называются процессом намагничивания статора и ротора.

Асинхронный электрический двигатель

Трехфазный электродвигатель сам по себе не нужен: на его валу обязательно присутствует нагрузка (самая простая — в виде лопастей вентилятора). В ситуации с нагруженным конвейером всё сложнее.  Тем не менее, у этой нагрузки есть момент инерции – момент, который необходимо преодолеть двигателю для запуска вращения вала. Таким образом, все эти электромагнитные и механические силы в момент пуска напрямую соотносятся с обычным пусковым током двигателя. Как несложно догадаться, этот ток будет в несколько раз (2-7) больше номинального тока двигателя, который получится в установившемся режиме работы.

Виды тиристорных преобразователей частоты

Преобразование может выполняться различными схемами, в которых отличается принцип работы. Различают несколько типичных вариантов использования тиристоров:

• Управляемые выпрямители;
• Инверторные преобразователи.

Управляемый выпрямитель характеризуется тем, что вместо части или всех диодов установлены тиристоры, коммутируя которые в определенные моменты времени можно управлять величиной среднего напряжения на нагрузке.

Преобразователь напряжения на тиристорах, включенный по схеме управляемого выпрямителя, в силу особенностей работы, можно использовать только в цепях переменного тока для питания нагрузки постоянным напряжением.

Инверторные преобразователи формируют напряжение, по форме близкое к синусоидальному, из постоянного. При этом может быть получено различное количество фаз, имеется возможность регулировки амплитуды и частоты напряжения.

Асинхронный двигатель для осуществления возможности управления мощностью и частотой вращения может включаться только через инверторный преобразователь (частотник).

Особенности тиристорного управления

Тиристоры в качестве коммутирующих элементов характеризуются тем, что могут использоваться исключительно в качестве ключей. Каталог номенклатуры тиристоров отличается тем, что большинство элементов в нем не требует постоянной подачи управляющего сигнала. Здесь используется свойство тиристоров сохранять открытое состояние после снятия управления. Запирание происходит только тогда, когда ток через элемент снижается ниже определенного уровня, или происходит смена полярности напряжения на аноде и катоде.

Не дожидаться смены полярности или уменьшения тока можно, применяя специальные запираемые тиристоры, которые запираются путем подачи сигнала на управляющий электрод.

Любой тиристорный преобразователь отличается высоким уровнем искажения формы напряжения. Также в момент переключения возникают импульсы электромагнитных помех, для уменьшения уровня которых требуется использование дополнительных схемных решений (коммутация в момент перехода напряжения через нуль, установка помехоподавляющих фильтров).

Принцип работы и конструкция

Для преобразования нагрузки может использоваться тиристорный или транзисторный высоковольтный преобразователь на базе IGBT. Тиристорный частотный преобразователь (ТП, ТПР или ТПЧ) – это электрическое устройство для преобразования переменного тока в постоянный, регулирования его уровня и прочих характеристик. С его помощью можно уравнивать различные параметры электрических редукторов: скорость вращения в момент пуска, угол и прочие.

Тиристорный преобразователь применяется для двигателя постоянного тока (ДПТ) вместе с системой автоматического регулирования (FR A700 в Mitsubishi Electric, Siemens Simoreg DC Master, Omron Yaskawa). Он имеет очень широкую область применения благодаря своим достоинствам:

1. Высокий показатель КПД – до 95 % (к примеру, у модели ПН-500);
2. Широкий спектр контроля. Его можно использовать для двигателя с мощностью от десятых киловатта до нескольких мегакиловатт;
3. Способность выдерживать сильные импульсные нагрузки при включении электродвигателя в сеть;
4. Высокие показатели надежности и долговечности;
5. Точность в работе.

Но у такой системы есть определенные недостатки. В первую очередь – это низкий коэффициент мощности, который проявляется при глубоком регулировании производственных процессов. Компенсировать его можно при помощи дополнительных устройств. Кроме этого, мощный преобразователь вызывает помехи в электрической сети, что сказывается на работе чувствительного электро- и радиооборудования.

Конструкция:

1. Трансформатор или реактор;
2. Выпрямительные блоки;
3. Дополнительный реактор, сглаживающий преобразование;
4. Система защиты оборудования от перенапряжений.

Большинство современных преобразователей подключаются к трансформатору через реактор. Трансформатор в этой схеме является согласующим звеном между входящим и выходным напряжением, он уравновешивает разницу между ними. Помимо него, электросхема также включает в себя специальный сглаживающий реактор. Этот прибор необходим для нейтрализации определенных пульсаций, возникающих при выпрямлении и изменении типа тока. Но система не всегда включает в себя реактор, т. к. при достаточной индуктивности асинхронного двигателя в нем нет необходимости.

Агрегат пропускает через автономный инвертор (расположенный во входящем звене) первичную нагрузку. Они попадают в выпрямляющие блоки, установленные в выходном звене. Для подключения других индукционных потребителей используются специальные шины, которые помогают выравнивать питание в целой группе устройств.

Такой преобразователь бывает низкочастотный и высокочастотный. В зависимости от потребных частот и имеющихся параметров электричества подбирается нужная модель. Нужно отметить, что в станках, где используется трехфазный ток, применяется другой тип подключения. Однофазный переносит воздействия и преобразования, в то время как на преобразовании трехфазного тока теряется КПД.

Фото — преобразовательный пункт

Система используется в плавке металлов, сварочных работах, контроле кранового механизма и многих других производственных и технологических процессах. Применение такого принципа работы позволяет реализовать систему генератор-двигатель без использования генератора. Благодаря этому производится широкая регулировка частот вращения шпинделя даже на самых малых скоростях, настраиваются механические и другие характеристики электропривода и прочие параметры.

Преимущества тиристорных преобразователей

ТПЧ получили очень широкое применение благодаря своим многочисленным достоинствам. Главное преимущество тиристорных преобразователей в сравнении с электромашинными заключается в том, что за счет высокого КПД, а также отсутствия потерь холостого хода, идет тенденция снижения потребления мощности от сети, и при этом снижаются расходы на эксплуатацию. Также большое преимущество тиристорных преобразователей частоты в их свойствах регулировки. Регулирование выходных параметров и мощности возможно осуществить без переключения в силовых цепях. Это позволяет обходится без больших коммутирующих устройств.

Перед тем, как принять решение купить преобразователь частоты, надо ознакомиться с его преимуществами, а именно:

• качественная элементная база Европейских производителей;
• высокая надежность и долговечность;
• простота и удобство в эксплуатации;
• высокий КПД 93-95%;
• высокая устойчивость к короткому замыканию в нагрузке;
• способность выдерживать мощные импульсные перенапряжения на входе;
• внутренняя самодиагностика и защита всех силовых элементов;
• дистанционное управление и регулирование с пульта ДПУ;
• цифровое отображения параметров преобразователя;
• охлаждение ТПЧ водяное двухконтурное с теплообменником;
• возможность адаптации к существующему оборудованию;
• легко перенастраиваемые параметры;
• индивидуальная доработка по требованию Заказчика;
• оперативная поставка комплектующих и запасных частей;
• гарантийное и сервисное обслуживание;
• обучение персонала заказчика;
• замена морально устаревших машинных генераторов на ТПЧ.

Схемные решения преобразователей на основе тиристоров

Среди всего многообразия схемных решений, относящихся к проектированию тиристорных преобразователей напряжения, тока и частоты (ТПЧ), особо выделяются следующие варианты:

• Последовательные и параллельные токовые инверторы;
• Комбинированные инверторы тока;
• Преобразователи напряжения Мак-Муррея;
• Мостовые (резонансные) схемы.

Рассмотрим каждый из указных подходов к обустройству преобразователей на основе тиристоров более подробно.

Последовательный и параллельный инверторы тока

Этот тип преобразовательного устройства на выходе содержит отдельный конденсатор, подсоединённый последовательно к нагрузочной цепи.

Имеющийся в линии питания дроссель выполняет фильтрующую функцию: с его помощью удаётся частично сгладить образующиеся при переключении тиристоров токовые импульсы.

На начальном этапе (при подаче питания) переключающие элементы VS2 и VSЗ пребывают в открытом состоянии, а тиристоры VS1 и VS4, напротив, – закрыты. Протекающий по последовательной цепочке ток заряжает выходной конденсатор до возможного для него уровня.

После того, как на управляющие электроды VS1 и VS4 поступают токовые импульсы от внешнего источника, они открываются и остаются в этом состоянии вместе с двумя другими.

За счёт их открытия зарядившийся ранее конденсатор С1 может разряжаться токами, по знаку противоположными тем, что протекают через элементы VS2 и VSЗ. В тот момент, когда значения токов через тиристоры VS2 и VS3 приблизятся к нулю, эти коммутирующие приборы закроются.

Ток потечёт по другой цепочке, вследствие чего напряжение на выходном конденсаторе сменит свою полярность. То же самое, только в обратном порядке, будет наблюдаться, если управляющие импульсы подать на входы VS2 и VSЗ.

В результате под действием таких импульсов из постоянного входного тока на выходе формируются синусоидальные колебания с требуемыми параметрами.

Обратите внимание! При изменении частоты управляющих импульсов меняется амплитуда и частота получаемой на выходе синусоиды. По этой причине такая схема может использоваться в качестве частотозадающего узла в ТПЧ.

Все электрические процессы, происходящие в преобразователе параллельного типа, практически полностью совпадают с описанными ранее для последовательной структуры. Разница состоит лишь в том, что выходной конденсатор включается не последовательно, а в параллель с нагрузкой.

Комбинированные схемы

Параллельно-последовательные или комбинированные схемы инверторов тока характеризуются тем, что содержат элементы обоих видов включения нагрузки. Благодаря этому они совмещают преимущества как одного, так и другого способа подключения (смотрите размещённый ниже рисунок).

В основе работы этой схемы заложены те же принципы, что уже были рассмотрены для предыдущих технических решений. Комбинированное включение заряжающихся и разряжающихся емкостей существенно улучшает рабочие параметры схемы и обеспечивает получение стабильной нагрузочной характеристики.

В отличие от других импульсных преобразующих устройств, такие приборы могут работать в отсутствии активной нагрузки.

Преобразователь напряжения Мак-Муррея

Особенностью устройств этого типа является наличие в них отдельного контура LС, обеспечивающего запирание основных рабочих тиристоров. Для этого в подходящий момент времени его элементы L и С объединяются через цепи, создаваемые путем включения дополнительных тиристоров. С электрической схемой такого оригинального устройства можно ознакомиться на размещённом ниже рисунке.

С её подробнейшим описанием можно ознакомиться в приводимом далее источнике http://meandr.org/archives/25356. В размещённом по этому адресу обзоре описаны все перечисленные ранее типы преобразователей. Особое внимание в нём уделяется мостовой схеме, которая требует специального рассмотрения.

Схема последовательного резонансного инвертора

Резонансный инвертор последовательного типа, изображенный на приводимом ниже рисунке, в отличие от уже описанных ранее схем, имеет одно преимущество. Последнее состоит в том, что он приспособлен к работе на больших преобразуемых частотах, что объясняется меньшими потерями в резонансном контуре.

При рассмотрении этой схемы можно отметить, что элементы С1 и С2 представляют собой делитель напряжения емкостного типа. Совместно с индуктивностями половинных обмоток (I и П) катушки L1 они образуют колебательный контур с резонансом на частоте следования управляющих импульсов.

Дополнительная информация. При небольших отличиях в указанных параметрах, что характерно для реальных (практических) схем, правильнее было бы называть их квазирезонансными.

В тех случаях, когда добротность такого контура очень мала, устройство не будет работать по причине отсутствия резонанса. При большой же величине этого показателя на квазирезонансном контуре (его первичной обмотке) и тиристорах будет действовать слишком большое напряжение. Последнее обстоятельство также усложнит работу схемы.

Обычно добротность такого контура выбирается в пределах от единицы до четырёх, а номиналы ёмкостей С1 и С2 подбираются по возможности равными. За счёт их одинаковости ток, протекающий через первичную обмотку TV1, в два раза превышает тот же показатель для каждого из конденсаторов.

Одновременно с этим частота нагрузочного тока определяется параметрами основных составляющих самого колебательного контура. Что касается формы выходных токовых импульсов, действующих в течение каждого из полупериодов, она практически ничем не отличается от синусоиды (точнее её половинки). В конце каждого из рабочих полупериодов величина токовых импульсов снижается до нуля, и тиристор VS1 закрывается.

Обратите внимание! При описанном выше порядке работы схемы тиристоры переходят в состояние отсечки при обнулении тока через них.

В заключение обзора отметим, что каждый из рассмотренных способов тиристорного преобразования энергии востребован в определённых условиях, когда возникает потребность в управлении вполне конкретным электромеханическим устройством. При необходимости выбора наиболее подходящей для данной ситуации схемы следует подробно исследовать все её сильные и слабые стороны.

Описание самостоятельного подключения

Предлагаем рассмотреть, как можно самому собрать и подключить простой самодельный инверторный преобразователь частоты для небольшого трехфазного электродвигателя в виде подробной инструкции.

Рассмотрим создание ПЧ на примере двигателя с частотой 400Гц и напряжением электрической сети 27 Вольт. Обмотки соединены в звезду, благодаря чему средняя точка каждой выведена наружу, это позволяет существенно упростить микросхему: нужно три выходных сигнала, и один выходной ключ на каждую из фаз. Электрическая схема подключения показана на фото ниже:

Фото — Схема подключения

Данное устройство состоит из таких компонентов: генератор, формирующий импульсы, ключи на составных транзисторах и электрического двигателя.

Фото — Частотный преобразователь схема 1

Руководство, по которому можно подключить преобразователь частоты двигателя, имеет вид упрощенной схемы. На чертеже изображен двигатель, который управляется несколькими ключами. Механические контакты показаны как элементы полупроводникового типа. Питается двигатель при помощи постоянного напряжения. Естественно нельзя одновременно открывать нижние и верхние ключи,  иначе произойдет короткое замыкание, и мощность ВПЧ потока упадет до нуля, чтобы это предотвратить, нужно подключить преобразователь таким образом, чтобы при открытии нижнего ключа верхний закрывался. Для осуществления такой технологии используются специальные контроллеры, образующие мертвую зону.

Временной интервал для мертвой зоны нужно рассчитать таким образом, чтобы гарантировать успешное закрытие всех транзисторов верхнего ряда, только тогда вероятность образования сквозных токов будет сведена к минимуму.

Ключами с гальванической связью управляет драйвер на составном резисторе, для этого часто устанавливают дополнительный оптрон для каждого ключа или канала (как и показано на схеме), эта деталь на данном чертеже выполняет роль еще одного инвертора.

Чтобы питать каждый драйвер, нужно использовать специальный выпрямитель, который в свою очередь, запитан от обмотки привода. Возможно, это является одним из недостатков схемы. Для управления длительности мертвой зоны данный преобразователь напряжения и частоты использует конденсатор.

Этот прибор относится к типу универсал, его можно подсоединять к любым двигателям, мощность которые не превышает 10 кВт.

Ремонт и обслуживание

Если ПЧ не работает на полную мощность, то рекомендуем проверить тормозной резистор для преобразователя частоты, в таблице ниже даны оптимальные показатели. В том случае, если данные Вашей детали не совпадают с ними, то необходима замена резистора:

Фото — Данные для тормозных резисторов

Система может дать сбой, если Вы выбрали очень мощный ПЧ для слабой сети. Дело в том, что большинство деталей преобразователя предназначено для постоянного напряженного состояния, если уровень сигнала не доходит до минимальных показателей ПЧ, то он не будет работать.

Есть два варианта:

• Техническое испытание;
• Проверка схемы выпрямления.

Также можно попробовать поискать проблемы своими силами, при помощи мультиметра:

1. Проверьте уровень сигнала, если на преобразователе написано, что необходимо напряжении в 380 Вольт, а подается только 220 – то работать прибор не будет;
2. Проверьте правильность подключения преобразователя к порту и плотность всех прочих соединений;
3. В процессе эксплуатации, преобразователь напряжения и частоты нельзя подвергать воздействию воды и резким перепадам температуры;
4. На цифровых приборах есть возможность вывести причину поломки на экран, производитель указывает как вызвать эту функцию в инструкции;
5. Проверьте напряжение, не должно быть разрывов или сильных перепадов.

Схема модели индукционного комплекса на тиристорах

Устройства индукционного нагрева наиболее часто используют схему Мак-Мюррея или резонансный преобразователь, поскольку нагрузка носит явно выраженный индуктивный характер. Индукционные нагревательные приборы потребляют значительный ток, поэтому в мощных печах используются именно тиристоры, несмотря на более лучшие по параметрам транзисторы.

Поскольку для питания объектов промышленных предприятий используется трехфазный переменный ток, конструкция обязательно содержит выпрямитель, который на выходе образует постоянный ток.

Использование тиристоров в качестве ключевых элементов инвертора позволяет создавать простые и надежные схемы, основной недостаток которых заключается в достаточно сильных искажениях формы напряжения и высоком уровне электромагнитных помех.