Состав и принцип работы частотного преобразователя

1. Общие сведения

Частотный преобразователь (также называемый регулируемым электроприводом, VFD) – это устройство управления мощностью, которое преобразует питание переменного тока с фиксированной частотой в выходной переменный ток с регулируемыми частотой и напряжением. Большинство используемых сегодня преобразователей реализованы по схеме AC‑DC‑AC (с управлением VVVF или векторным). Они сначала выпрямляют сетевое переменное напряжение в постоянное с помощью выпрямителя, а затем инвертируют это постоянное напряжение в переменное с управляемой частотой и напряжением для питания двигателя.

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

2. Выпрямительная схема

2.1 Функция и назначение
Выпрямительная схема преобразует сетевое переменное напряжение (обычно 50 или 60 Гц) в постоянное. В преобразователях общего назначения выпрямитель выполнен по трёхфазной мостовой схеме. Его задача – выпрямить сетевое напряжение, которое затем сглаживается звеном постоянного тока, чтобы обеспечить требуемое питание как для инвертора, так и для цепей управления.

2.2 Конфигурация и типы
Распространённые выпрямители включают неуправляемые (например, диодные) и управляемые (например, тиристорные).

• Неуправляемый: простая структура, низкая стоимость, но выходное напряжение не регулируется.

• Управляемый: выходное напряжение можно регулировать, изменяя угол открытия тиристоров.
  На вход выпрямительного моста обычно через цепочку из конденсаторов и варисторов подаётся трёхфазное питание. Эта цепочка поглощает высокочастотные гармоники и импульсные перенапряжения из сети, защищая преобразователь от повреждений.

2.3 Основные параметры
При напряжении сети 380 В (трёхфазное) максимальное обратное напряжение выпрямительных приборов обычно составляет 1200–1600 В, а максимальный выпрямленный ток – вдвое больше номинального тока преобразователя.

3. Промежуточное звено постоянного тока (DC‑link)

3.1 Функция и назначение
Звено постоянного тока фильтрует и накапливает энергию от выпрямленного постоянного напряжения. Оно сглаживает пульсирующее напряжение и подаёт стабильное (или сглаженное) напряжение на инвертор. Звено постоянного тока служит накопителем энергии – двигатель через инвертор потребляет энергию из промежуточной цепи. При торможении или замедлении оно также может запасать рекуперативную энергию, возвращаемую двигателем.

3.2 Конфигурация и типы
Звено постоянного тока обычно состоит из фильтрующих конденсаторов и дросселей. Конденсаторы сглаживают пульсации напряжения, а дроссели ограничивают скорость изменения тока и улучшают стабильность цепи.

Различают три типа промежуточных цепей:

• Преобразование выпрямленного напряжения в постоянный ток.

• Сглаживание пульсирующего напряжения для инвертора.

• Преобразование фиксированного постоянного напряжения в регулируемое постоянное напряжение.

3.3 Источники тока и источники напряжения
В зависимости от элемента накопления энергии в звене постоянного тока преобразователи делятся на:

• Тип с источником тока – в качестве накопителя используется большая индуктивность. Реактивная мощность буферизуется этой индуктивностью, а рекуперативная энергия может возвращаться в сеть.

• Тип с источником напряжения – в качестве накопителя используется большая ёмкость. Реактивная мощность нагрузки буферизуется конденсатором, но возврат реактивной энергии в сеть затруднён.

4. Инверторная схема

4.1 Функция и назначение
Инверторная схема под управлением системы преобразования преобразует постоянное напряжение звена в переменное напряжение с произвольно регулируемыми частотой и напряжением. Выход инвертора является выходом преобразователя, поэтому инвертор – одна из ключевых частей частотного преобразователя.

4.2 Конфигурация и принцип работы
Инверторная схема обычно состоит из нескольких силовых ключей, например IGBT или MOSFET. Управляя включением и выключением этих ключей, постоянное напряжение преобразуется в переменное различных частот и напряжений.

Наиболее распространённая топология – трёхфазный мостовой инвертор на шести силовых ключах (GTR, IGBT, GTO и т.п.). Регулярно переключая ключи в заданной последовательности, получают трёхфазное переменное напряжение требуемой частоты.

Схема управления формирует ШИМ‑сигналы в соответствии с заданными значениями частоты и напряжения. Изменяя скважность и частоту ШИМ, регулируют выходное напряжение и частоту.

4.3 Вспомогательные цепи
Инвертор всегда снабжён цепью обратных диодов (freewheeling), которая обеспечивает путь для рекуперативной энергии асинхронного двигателя обратно в цепь постоянного тока при снижении частоты. Кроме того, во избежание короткого замыкания при одновременном включении двух ключей одного плеча, преобразователи общего назначения содержат снабберные цепи и другие защитные устройства для обеспечения нормальной работы и защиты ключей при аварийных режимах.

Для преобразователей малой и средней мощности основные элементы силовой схемы часто интегрируют в модули или интеллектуальные силовые модули (IPM), которые внутри объединяют выпрямитель, инвертор, датчики, защитные цепи и драйверы затворов.

5. Схема управления

5.1 Функция и назначение
Схема управления – ядро частотного преобразователя. Она посылает сигналы выпрямителю, звену постоянного тока и инвертору, одновременно получая от них сигналы обратной связи. На основе внешних команд (например, заданная частота, заданное напряжение) и сигналов обратной связи (скорость двигателя, ток) схема управления генерирует сигналы переключения для ключей инвертора по определённому алгоритму, обеспечивая точное регулирование выходной частоты и напряжения.

Основные задачи схемы управления: управление переключением инвертора, регулирование выпрямителя и выполнение защитных функций.

5.2 Конфигурация и методы управления
Схема управления обычно включает вычислительное устройство, измерительные цепи, входные/выходные цепи сигналов управления и драйверы затворов. Способы управления могут быть аналоговыми или цифровыми. В настоящее время многие преобразователи используют полностью цифровое управление на микроконтроллерах, где аппаратная часть максимально упрощена, а функции реализуются программно.

Распространённые методы управления:

• V/f‑управление – одновременное регулирование частоты и напряжения.

• Управление по скольжению – улучшенная версия V/f‑управления.

• Векторное управление – разложение тока статора на составляющую намагничивания и составляющую момента с раздельным управлением, что позволяет асинхронному двигателю достичь характеристик, близких к характеристикам двигателя постоянного тока.

• Прямое управление моментом (DTC) – момент является непосредственно управляемой величиной; новая технология регулирования скорости переменного тока, разработанная после векторного управления.

6. Резюме

Полная последовательность работы частотного преобразователя может быть обобщена следующим образом:

1. Выпрямление – сетевое переменное напряжение поступает в преобразователь, выпрямитель преобразует его в пульсирующее постоянное напряжение.

2. Обработка звеном постоянного тока – фильтрующие конденсаторы сглаживают пульсирующее напряжение до относительно стабильного, одновременно накапливая энергию.

3. Инвертирование – схема управления формирует ШИМ‑сигналы для управления ключами инвертора, преобразуя постоянное напряжение обратно в переменное с регулируемыми частотой и напряжением.

4. Управление скоростью двигателя – изменяя выходную частоту, точно регулируют скорость двигателя ($\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif">n</span>}<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif">=</span>\frac{\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif">60</span>}\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif">f</span>}}{\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif">p</span>}}$n=p60f, где $\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif">f</span>}$f – частота питания, $\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif">p</span>}$p – число пар полюсов двигателя).

Эти четыре части работают совместно, реализуя основную функцию частотного преобразователя: преобразование фиксированной частоты сети в переменное напряжение с регулируемыми частотой и амплитудой.