Честотни преобразуватели - устройство, принцип на действие
Честотните преобразуватели са устройство, предназначено да преобразува променлив ток (напрежение) с една честота в променлив ток (напрежение) с друга честота.
Изходната честота в съвременните преобразуватели може да варира в широк диапазон и да бъде както по-висока, така и по-ниска от честотата на мрежата.
Веригата на всеки честотен преобразувател се състои от захранващи и контролни части. Силовата част обикновено се прави на тиристори или транзистори, които работят в режим на електронен ключ. Управляващата част се изпълнява на цифрови микропроцесори и осигурява управление на силови електронни ключове, както и решаване на голям брой спомагателни задачи (управление, диагностика, защита).
Честотните преобразуватели, използвани в управляваните електрически задвижвания, в зависимост от структурата и принципа на работа на захранващия блок, се разделят на два класа:
- С подчертано междинно DC звено.
- Директно свързване (без междинно DC звено).
- практически най-висока ефективност в сравнение с други преобразуватели (98,5% и повече),
- способността да работят с високи напрежения и токове, което прави възможно използването им в мощни задвижвания с високо напрежение,
- относителна евтиност, въпреки увеличението на абсолютната цена поради контролни вериги и допълнително оборудване.
Всеки от съществуващите класове има своите предимства и недостатъци, които определят областта на рационално приложение на всеки от тях.
Използването на незаключващи се тиристори изисква относително сложни системи за управление, което увеличава цената на преобразувателя.
„Нарязаната” синусоида на изхода на преобразувателя е източник на по-високи хармоници, които причиняват допълнителни загуби в електродвигателя, прегряване на електрическата машина, намаляване на въртящия момент и много силни смущения в захранващата мрежа. Използването на компенсиращи устройства води до увеличаване на цената, теглото, размерите и намаляване на ефективността. системи като цяло.
Наред с изброените недостатъци на преобразувателите с директна връзка те имат някои предимства. Те включват:
Подобни схеми на преобразуватели се използват в стари задвижвания, а новите дизайни практически не се разработват.
В честотните преобразуватели от този клас се използва двойно преобразуване на електрическа енергия: входно синусоидално напрежение с постоянна амплитуда и честота се коригира в токоизправител (V), филтрира се от филтър (F), изглажда се и след това се преобразува от инвертор (I) в променливо напрежение с променлива честота и амплитуда. Двойното преобразуване на енергия води до намаляване на ефективността. и до известно влошаване на показателите за тегло и размери по отношение на преобразуватели с директна връзка.
За формиране на синусоидално променливо напрежение се използват автономни инвертори на напрежение и автономни инвертори на ток.
Като електронни превключватели в инверторите се използват затворени тиристори GTO и техните усъвършенствани модификации GCT, IG C T, SGCT и биполярни транзистори с изолиран затвор IGBT.
Основното предимство на тиристорните честотни преобразуватели, както при верига с директно свързване, е способността да работят с високи токове и напрежения, като същевременно издържат на непрекъснато натоварване и импулсни ефекти.
Те имат по-висока ефективност (до 98%) в сравнение с преобразувателите на IGBT транзистори (95 - 98%).
Тиристорните честотни преобразуватели понастоящем заемат доминираща позиция в задвижването с високо напрежение в диапазона на мощността от стотици киловати до десетки мегавати с изходно напрежение от 3-10 kV и по-високо. Въпреки това цената им за kW изходна мощност е най-високата в класа на преобразувателите за високо напрежение.
Доскоро честотните преобразуватели на GTO бяха основният дял в нисковолтовите честотни задвижвания.Но с появата на IGBT транзистори се проведе „естествен подбор“ и днес базираните на тях преобразуватели са общопризнати лидери в областта на нисковолтовите честотни задвижвания.
Тиристорът е полуконтролирано устройство: за да го включите, достатъчно е да приложите кратък импулс към управляващия изход, но за да го изключите, трябва или да приложите обратно напрежение към него, или да намалите превключвания ток до нула. Това изисква сложна и тромава система за управление в тиристорен честотен преобразувател.
Биполярните транзистори с изолиран затвор IGBT се различават от тиристорите с пълна управляемост, проста система за управление, която не е енергоемка, най-високата работна честота.
В резултат на това базираните на IGBT честотни преобразуватели позволяват разширяване на обхвата на управление на скоростта на двигателя и увеличаване на скоростта на задвижването като цяло.
За асинхронно векторно управлявано задвижване, IGBT преобразувателите позволяват работа при ниски скорости без сензор за обратна връзка.
Използването на IGBT с по-висока честота на превключване във връзка с микропроцесорна система за управление в честотни преобразуватели намалява нивото на по-високите хармоници, характерни за тиристорните преобразуватели. В резултат на това има по-малко допълнителни загуби в намотките и магнитната верига на електродвигателя, намаляване на нагряването на електрическата машина, намаляване на вълните на въртящия момент и изключване на така нареченото „ходене“ на ротора в нискочестотната област. Намаляват се загубите в трансформаторите, кондензаторните батерии, увеличава се техният експлоатационен живот и изолацията на проводниците, намалява се броят на фалшивите аларми на защитните устройства и грешките на индукционните измервателни уреди.
Честотни преобразуватели на базата на IGBT транзистори в сравнение с тиристорни преобразуватели присъс същата изходна мощност се отличават с по-малки размери, тегло, повишена надеждност поради модулния дизайн на електронните ключове, по-добро отвеждане на топлината от повърхността на модула и по-малко структурни елементи.
Те позволяват по-пълна защита срещу пренапрежение и пренапрежение, което значително намалява вероятността от повреди и повреди на устройството.
В момента нисковолтовите IGBT преобразуватели имат по-висока цена за единица изходна мощност, поради относителната сложност на производството на транзисторни модули. Въпреки това, по отношение на съотношението цена / качество, въз основа на изброените предимства, те ясно превъзхождат тиристорните модули, освен това през последните години се наблюдава постоянен спад в цените на IGBT модулите.
Основната пречка за използването им във високоволтови задвижвания с директно преобразуване на честотата и при мощности над 1 - 2 MW в момента са технологичните ограничения. Увеличаването на напрежението на превключване и работния ток води до увеличаване на размера на транзисторния модул и също така изисква по-ефективно отстраняване на топлината от силициевия кристал.
Новите технологии за производство на биполярни транзистори са насочени към преодоляване на тези ограничения, а приложението на IGBT е много обещаващо и при високоволтови задвижвания. Понастоящем IGBT транзисторите се използват в преобразуватели за високо напрежение под формата на няколко единични модула, свързани последователно.
Устройство и принцип на работа на честотен преобразувател за ниско напрежение на базата на IGBT транзистори
Типична диаграма на честотен преобразувател за ниско напрежение е показана на фиг. 7. В долната част на фигурата има графики на напрежения и токове на изхода на всеки елемент на инвертора.
променливамрежово напрежение ( uin.) с постоянна амплитуда и честота (Uin = const, fin = const) се подава към контролиран или неуправляем токоизправител (1).
Филтър (2) се използва за изглаждане на вълните на изправеното напрежение (urect.). Токоизправителят и капацитивният филтър (2) образуват DC връзка.
От изхода на филтъра постоянно напрежение u d се подава към входа на автономен импулсен инвертор (3).
Автономният инвертор на съвременните преобразуватели за ниско напрежение, както беше отбелязано, се основава на мощни биполярни транзистори с изолирана порта IGBT. Въпросната фигура показва схема на честотен преобразувател с автономен инвертор на напрежение като най-широко използвана.
Инверторът преобразува директното напрежение u d в трифазно (или еднофазно) импулсно напрежение u с променлива амплитуда и честота. Според сигналите на системата за управление всяка намотка на електродвигателя се свързва чрез съответните силови транзистори на инвертора към положителните и отрицателните полюси на DC връзката. Продължителността на свързване на всяка намотка в рамките на периода на повторение на импулса се модулира по синусоидален закон. Най-голямата ширина на импулса се осигурява в средата на полупериода и намалява към началото и края на полупериода. По този начин системата за управление осигурява широчинно-импулсна модулация (ШИМ) на напрежението, приложено към намотките на двигателя.Амплитудата и честотата на напрежението се определят от параметрите на модулиращата синусоидална функция.
При висока носеща честота на ШИМ (2 ... 15 kHz), намотките на двигателя действат като филтър поради високата им индуктивност. Следователно в тях протичат почти синусоидални токове.
В схемиЗа преобразуватели с контролиран токоизправител (1) промяната на амплитудата на напрежението u и може да се постигне чрез контролиране на стойността на постоянното напрежение u d , а промяната на честотата може да се постигне чрез режима на работа на инвертора.
Ако е необходимо, на изхода на автономния инвертор се монтира филтър (4) за изглаждане на вълните на тока. (В преобразувателните схеми на IGBT, поради ниското ниво на по-високи хармоници в изходното напрежение, практически няма нужда от филтър.)
По този начин на изхода на честотния преобразувател се формира трифазно (или еднофазно) променливо напрежение с променлива честота и амплитуда (out = var, f out = var).
Отидете до секциите по-долу, изберете необходимото оборудване и го поставете в пазарската количка. - Честотни преобразуватели - Плави стартери
за честотни преобразуватели ES022, ES024, ES025 и ES026