9.3. Преобразователи частоты

Преобразователи частоты — это устройства, преобразующие переменный ток одной частоты в переменный ток другой ча­стоты.

Различают два класса преобразователей частоты:

- с промежуточным звеном постоянного тока;

- с непосредственной связью (без промежуточного звена по­стоянного тока).

Последние в свою очередь подразделяются на преобразова­тели частоты с непосредственной связью и естественной коммутацией тока тиристоров и с непосредственной связью с искусственной коммутацией тока тиристоров.

Преобразователи с промежуточным звеном постоянного то­ка позволяют регулировать выходную частоту при помощи си­стемы управления инвертора СУИ в широком диапазоне как вверх, так и вниз от частоты питающей сети. Данный тип пре­образователей частоты имеет простую схему силовой части, а, следовательно, и системы управления.

Структурная схема преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока, показана на рис. 9.8, а. Напряжение сети выпрямляется управляемым выпрямителем В, имеющим систему управления СУВ, фильтруется LC-фильтром Ф и подается на автономный инвер­тор АИ. Функции регулирования частоты выходного напряже­ния осуществляет инвертор, а напряжения – выпрямитель. Иногда обе функции совмещает инвертор, а выпрямитель вы­полняют неуправляемым.

УВ

МВ

МО

И

б

U₁

U_z

f₁

f_z

Рис. 9.8. Преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока (а)

и однофазный преобразователь частоты (б)

Основным недостатком преобразователя частоты с проме­жуточным звеном постоянного тока является двойное преобра­зование энергии – выпрямление и инвертирование, что приво­дит к снижению к. п. д. и ухудшению массогабаритных показа­телей.

В преобразователях частоты с промежуточным звеном по­стоянного тока можно осуществить свободный обмен электри­ческой энергией между потребителем и питающей сетью в обо­их направлениях. Для такого обмена требуются полностью управляемые вентили с двухсторонней проводимостью; промышленность выпускает IGBT транзисторы и силовые полевые транзисторы на токи до 60 А и напряжение до 1200 В.

В приведенной на рис. 9.8, б схеме однофазного преобразо­вателя частоты управляемый выпрямитель УВ питает инвер­тор АИ на не полностью управляемых тиристорах (с односторон­ней проводимостью). Мосты обратного тока МО и возврата ре­активного тока MB выполняют функцию пропускников реактив­ного тока нагрузки. При рекуперации энергии мост МО выпол­няет функции выпрямителя, а мост MB – функции инвертора. Промежуточное повышение частоты переменного тока в преобразователе позволяет уменьшить массу и габариты эле­ментов с ферромагнитными сердечниками.

Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоян­ного тока применяют для питания электрических двигателей, частоту вращения ротора которых необходимо варьировать в широких пределах. В соответствии с современным направлением развития науки и техники преобразователи частоты строят на регулируемых выпрямителях и инверторах управляемых однокристальной микроЭВМ. Для силовой части преобразователя используют тиристоры и мощные полевые и IGBT-транзисторы, так как инвертор преобразователя частоты на тиристорах имеет большую стоимость, вес, габариты, более сложный монтаж, конструкцию и меньшую надежность. Транзисторный преобразователь частоты основан на широтно-импульсной модуляции. Для управления преобразователем, питающем трехфазный двигатель, используется контроллер, имеющий 6 выходов ШИМ: по два на каждую фазу – один для верхней полуволны, другой для нижней.

Также микроконтроллер должен обеспечивать возможность введения обратных связей, а значит иметь АЦП, цифровые вводы–выводы для создания программных клавиш, возможность программирования и перепрограммирования с персональной ЭВМ.

В схеме встроены цепи защиты, которые предохраняют силовые устройства от повреждений в случае системного сбоя или перенапряжения. Эти цепи обнаруживают неисправность и производят отключение схемы. Защита настроена на максимум использования силовых возможностей устройства, не идя на компромисс с надежностью.

Защита предусмотрена в следующем объеме: защита от тока короткого замыкания; минимальная защита по управляющему напряжению ; температурная защита.

Также у силового драйвера предусмотрен выходной сигнал ошибки FAULT, чтобы предупреждать контроллер о срабатывании какой-либо защиты. В случае срабатывания цепи защиты на выходе драйвера формируется сигнал FAULT и контроллер прекращает ШИМ модуляцию.

Для согласования уровней напряжения на выходах контроллера и входах силовых транзисторов предусмотрена гальваническая развязка на диодно-транзисторных оптронах АОТ. Три АОТ, управляющие нижними транзисторами JGBT питаются от общего выпрямителя + 15 В, а три верхних АОТ, управляющие верхними тремя IGBT c плавающим потенциалом управления, питаются от трех изолированных выпрямителей + 15 В. Для исключения этих выпрямителей используются бустреповые емкости С1 С2, заряжаемые через диодно-резисторные цепочки от выпрямителя + 15 В питающего Для согласования уровней напряжений на выходе МЭВМ и входах силовых транзисторов предусмотрена гальваническая развязка на диодно-транзисторных оптронах АОТ. Три АОТ, управляющие нижними IGBT,нижние АОТ. Величина резистора датчика тока, включенного в цепь N-N1, выбирается в зависимости от мощности М, а интегрирующее звено R1-C5 исключает ложные срабатывания защиты в моменты коммутации ключей. Если сигнал с шунта превысит 0,6 В, то все ключи закрываются и выдается сигнал ошибки FAULT на ОЭВМ. В выпрямителе инвертора одна из емкостей должна быть безындукционной.

Сведения о параметрах ПЧ предприятий России и других стран можно найти в каталогах предприятий. Так, ПЧ серии “Сапфир” выпускют на мощность двигателей от 15 до 320 кВт с техническими данными, приведенными в Приложении 5. Преобразователь частоты серии “АТ” выпускают на мощность от 11 до 90 кВт с техническими данными, приведенными в приложении 6. ПЧ серии “Универсал” выпускают на мощность от 5,5 до 225 кВт, а серия “КЭУ” - на мощность от 15 до 2000 кВт.