Частотный преобразователь (частотник) для асинхронного электродвигателя, принцип работы, схемы своими руками

Зачем нужен преобразователь частоты

Асинхронный двигатель значительно превосходит другие типы электрических машин по характеристикам и мощности, но не лишен характерных недостатков. Так, например, для управления частотой вращения ротора устройство необходимо оборудовать дополнительными элементами. То же самое и с пуском: пусковой ток асинхронного двигателя превышает номинальное значение в 5-7 раз. Из-за этого возникают дополнительные ударные нагрузки и потери мощности, которые вместе только сокращают срок службы агрегата.

Для решения этих задач в результате настойчивых исследований был создан класс специальных устройств, предназначенных для автоматического электронного управления пусковыми токами: преобразователи частоты.

Преобразователь частоты для электродвигателя снижает количество пусковых токов в 4-5 раз и не только выполняет плавный пуск, но также управляет ротором, регулируя напряжение и частоту. Использование устройства имеет и другие преимущества:

экономит до 50% электроэнергии при пуске;
обеспечивает обратную связь с соседними блоками.

На самом деле это не преобразователь, а генератор трехфазного напряжения необходимой амплитуды и частоты.

Назначение частотного преобразователя для асинхронных двигателей

Всего несколько лет назад для регулирования двигателей использовались механические устройства, которые не могли предотвратить удары и пусковые нагрузки на оборудование. В результате срок полезного использования асинхронных двигателей был коротким; кроме того, использование механической системы управления привело к значительным потерям энергии. Для исключения негативного воздействия на промышленное оборудование специалистами разработаны электронные устройства регулирования частоты, позволяющие регулировать ширину импульса асинхронных двигателей. В результате пусковой ток стал в 4-5 раз ниже, что позволяет без проблем запускать оборудование.

В дополнение к отсутствию большого пускового тока преобразователи частоты снижают потери энергии, а также обеспечивают обратную связь между соседними приводами, чтобы оборудование могло работать в режиме автонастройки.

Методы модуляции

Широкое развитие преобразователей электроэнергии в последние десятилетия привело к увеличению исследований в области модуляции. Метод модуляции напрямую влияет на эффективность всей системы электроснабжения (силовой части, системы управления), определяя экономическую выгоду и производительность конечного продукта.

Основная цель методов модуляции — получить наилучшую форму волны (напряжения и токи) с минимальными потерями. Другие второстепенные задачи управления могут быть решены с использованием правильного метода модуляции, такого как снижение синфазного шума, выравнивание напряжения постоянного тока, снижение пульсаций входного тока и замедление скорости нарастания напряжения. Одновременное достижение всех целей управления невозможно, требуется компромисс. Каждая схема силового преобразователя и каждое приложение должны быть тщательно исследованы, чтобы определить наиболее подходящий метод модуляции.

Методы модуляции можно разделить на четыре основные группы:
• PWM — широтно-импульсная модуляция
• PVM — пространственная векторная модуляция
• гармоническая модуляция
• методы переключения частоты

Конструкция. Разновидности преобразователей

Частотный электропривод имеет ряд цепей, в том числе транзистор или тиристор. Базовым элементом электронной схемы является микропроцессор, который отвечает за работу дополнительных элементов схемы и выполняет большое количество дополнительных задач.

Преобразователь частоты — это группа выпрямителей и инверторов, преобразующих переменные токи в постоянные.

Однофазный преобразователь частоты — это высокотехнологичное устройство. Его основная задача — преобразование рабочего напряжения сети в бытовое (220 В). При таком преобразовании выполняется импульс напряжения с заданными частотами (1 — 1000) Гц.

Преобразователь частоты для электродвигателя вырабатывает напряжения с заданными параметрами. Преобразователь частоты работает следующим образом:

1. Сначала осуществляется выпрямление напряжения электрической сети, а также уменьшение импульсов и фильтрация гармоник.
2. Постоянное напряжение поступает от выпрямителя в цепь инвертора, где преобразуется в переменное напряжение с переменной амплитудой и частотой.

Рис.1 Принципиальная схема преобразователя частоты

В роли силовых элементов часто выступают IGBT-транзисторы. Изменяя частоту, можно изменять скорость вращения электродвигателя (M).

Преобразователь частоты делится на две большие разновидности:

При прямом общении.

Их отличительной особенностью является тиристорный выпрямитель, в котором отдельные тиристоры поочередно открываются и закрываются и поочередно подключаются к обмотке статора.

Рис. 2 Графическое представление напряжения инвертора

Выходное напряжение синусоидальной волны образует пилообразную форму с частотой примерно 1 — 40 Гц.Диапазон этого типа преобразователей считается ограниченным из-за того, что неблокирующие тиристоры требуют более сложных схем управления. Что влечет за собой более высокую стоимость оборудования.

Такие преобразователи частоты, работающие с большими токами и напряжениями, имеют КПД порядка 95-98%. Кроме того, высоковольтные приводы дороже низковольтных.

Если сравнить тиристорный преобразователь с транзисторным электроприводом аналогичной мощности, то второе устройство будет иметь гораздо меньшие габариты, меньший вес и более надежную работу.

С ярко выраженной ссылкой СС.

Этот тип датчика гораздо чаще встречается в современных устройствах, предназначенных для регулирования частоты.

Преобразование происходит в 2 этапа:

1. сначала напряжение сети выпрямляется и фильтруется;
2. затем сигнал поступает прямо на инвертор, где ток требуемых частот и амплитуды преобразуется в переменный ток.

Эффективность при таком преобразовании снижается, а габариты устройства увеличиваются. Синусоидальный сигнал обеспечивается отдельным инвертором напряжения и тока.

Принцип работы

Сердцем привода является инвертор с двойным преобразованием. Принцип его работы следующий:

• сначала через диодный мост проходит входной переменный ток синусоидального типа с напряжением 380 или 220 вольт и выпрямляется;
• затем подается на группу конденсаторов для выравнивания и фильтрации;
• затем ток передается на управляющие микросхемы и мостовые переключатели от IGBT-транзисторов (IGBT), которые из него формируют трехфазную широтно-импульсную последовательность с заданными параметрами;
• на выходе сформированные прямоугольные импульсы преобразуются в синусоидальное напряжение под действием индуктивности обмоток.

На схеме ниже показан принцип работы преобразователя частоты асинхронного электродвигателя.

Старт/Стоп двигателя

Запуск и остановка двигателя могут производиться следующими способами.

1. С панели управления преобразователем частоты. Для этого используйте кнопки RUN, STOP / RESET. Если требуется короткий старт, используется кнопка JOG.
2. Путем подачи сигнала на цифровые входы FWD, REW с двухпроводным управлением. Для трехпроводного управления один из цифровых входов DI1… DI6 должен быть активирован и соответствующим образом запрограммирован. Режим выбирается параметром P077. Каждый из этих входов также может использоваться для активации толчкового режима (команда JOG). При двухпроводном управлении требуется постоянный сигнал на соответствующих входах для работы двигателя. При трехпроводном подключении достаточно небольшой продолжительности сигнала.
3. Через последовательный интерфейс с помощью команд от контроллера. Выбор источника команды пуска / останова в преобразователе Prostar PR6000 осуществляется в параметре P006.

Двухпроводное управление пуском / остановом

Трехпроводное управление пуском / остановом

Дополнительные функции и параметры

Современный преобразователь частоты для электродвигателя — сложное устройство. Если он сделан на базе процессора, то функций у него очень много. Бюджетные модели также могут обладать широким набором функций. Для обоснованного выбора стоит знать, что означает каждый из параметров и для чего нужна та или иная функция.

• Выходная частота или диапазон ее изменения. Здесь все ясно. Этот параметр описывает возможности изменения выходной частоты.
• Пределы регулирования напряжения. Нет даже вопросов.
• Тип преобразования частоты. Он может быть векторным и скалярным. Скаляр используется в простейших моделях. Параметры контролируются соотношением между напряжением и частотой. Векторный тип преобразования частоты в FM регулирует работу так, чтобы крутящий момент был постоянным по отношению к нагрузке. Этот способ контроля более сложен и надежен и применяется в более дорогих моделях.
• Наличие ПИД-регулятора. Поддерживает давление, температуру и скорость в заданных пределах (установленных ручкой или запрограммированных). Он должен иметь сигнальные выходы (аналоговые и / или цифровые) для связи с другими элементами управления).
• Регулировка скорости. Помогает стабилизировать двигатель при изменении мощности или скачках.

Перечень характеристик преобразователя частоты SV015IG5A-4

• Тип торможения. Обычно рекомендуется останавливать двигатель на выбеге: выключить питание и дождаться его остановки. Можно применять плавное торможение — постепенное снижение напряжения. Механическое торможение — когда скорость вращения вала тормозится трением. Ротор останавливается быстрее при динамическом торможении. В этом случае на одну из фаз подается постоянное напряжение. Он взаимодействует с ротором и за короткое время его останавливает.
• Количество выходов с разной частотой. Такой преобразователь частоты для электродвигателя может обслуживать одновременно несколько двигателей с разной скоростью вращения (фикс.

Помимо параметров и дополнительных возможностей, на работу влияет качество сборки. Конечно, лучше брать оборудование известных производителей. Компании ABB, Siemens, Mitsubishi, Omron доказали свою состоятельность. Но их частотные единицы дешевыми не назовешь. Если нужно сэкономить, а внешний вид не так важен, обратите внимание на отечественных и белорусских производителей. Внешний дизайн, как обычно, желает быть лучше, да и характеристики и стабильность работы неплохие.

Для каких целей необходим преобразователь частоты?

Это устройство имеет множество функций, но очень часто используется небольшое количество. Фактически, для управления асинхронным двигателем необходимо иметь возможность регулировать не только скорость вращения, но также время ускорения и замедления. Кроме того, защита необходима в любой системе. Преобразователь частоты должен учитывать ток, потребляемый асинхронным двигателем.

Частотомеры широко используются в системах вентиляции. Несмотря на кажущуюся легкость крыльчатки вентилятора, нагрузки на ротор очень велики. И мгновенное ускорение оказывается невозможным. Также бывают ситуации, когда необходимо увеличить скорость вращения, чтобы воздушного потока стало больше или меньше. Но это всего лишь пример, преобразователь частоты часто используется и в других системах. С помощью преобразователя частоты можно синхронизировать скорость конвейера, состоящего из нескольких лент.

Выпускаемые модели

Во многих сферах используются асинхронные двигатели, работа которых отличается высокими показателями стабильности и безопасности. Это особенно важно, так как каждое устройство имеет свои индивидуальные особенности, поэтому необходимы инверторы, обеспечивающие оптимизацию параметров их питания. В новую линейку оборудования вошли:

1. Emotron FDU 2.0 — преобразователь частоты последнего поколения шведской компании Emotron. Устройство работает в диапазоне от 0,75 до 1,6 кВт и рассчитано на разные группы напряжений: 3 × 380 В, 3 × 500 В, 3 × 690 В. Инвертор в основном используется для насосного оборудования или вентиляции.
2. Emotron серии CDU / CDX — это оборудование, предназначенное для управления работой лифта. Инверторы этой марки устанавливаются как на новые лифты, так и при модернизации старых конструкций. Их монтируют в машинном отделении или непосредственно у шахты.
3. «Лидер»: преобразователь частоты используется для управления асинхронными двигателями в насосах, вентиляции, мельницах, дробилках, центрифугах и т.д. Устройство исключает наличие динамических ударов при пуске, что позволяет увеличить срок службы двигателя и механизма привода в 1,5-2 раза.
4. Серия Easydrive Smart — это инвертор с выходной мощностью от 1 Гц до 2 кГц. Отличается автоматическим определением параметров электродвигателя при неподвижном механизме. Устройство имеет семь программируемых переключающих входов, которые позволяют выполнять до 30 функций.

Все модели позволяют изменять направление вращения вала электродвигателя, экономя основные энергоресурсы и снижая эксплуатационные расходы.

Разница типов сигналов управления

При проектировании цеха очень важно учесть, что связь преобразователей частоты с диспетчерским пультом будет происходить с помощью электрических импульсов через кабели связи. Но не забывайте, что разные стандарты общения по-разному влияют друг на друга. Следовательно, передача данных одним способом может значительно снизить качество передачи данных другим способом.
Поэтому расчет преобразователя частоты для асинхронного двигателя должен производиться не только по его электрическим характеристикам, но и по его совместимости с сетью.

Как выбирать

Для производителей преобразователей частоты и другого электронного оборудования основным средством завоевания рынка является цена. Чтобы его уменьшить, создают устройства с минимальным набором функций. Следовательно, чем универсальнее та или иная модель, тем выше ее цена. Для нас это очень важно, поскольку для эффективной и длительной работы двигателя может потребоваться инвертор с определенными функциями. Давайте посмотрим на основные критерии, на которые нужно обращать внимание.

Управление

По способу управления преобразователи частоты делятся на векторные и скалярные. Первые сегодня намного популярнее, но стоят дороже, чем вторые. Преимущество векторного управления — высокая точность управления. Скалярное управление очень простое, оно может поддерживать только соотношение между выходным напряжением и частотой на заданном значении. Такой преобразователь рекомендуется ставить на небольшой прибор без большой нагрузки на двигатель, например, вентилятор.

Мощность

Конечно, чем выше значение, тем лучше. Кстати, в этом вопросе цифры не так уж и важны. Уделите больше внимания производителю: чем больше ваше оборудование «связано» друг с другом, тем эффективнее оно будет работать. Кроме того, использование нескольких преобразователей одной марки поддерживает принцип взаимозаменяемости и простоты обслуживания. Подумайте о наличии подходящего сервисного центра в вашем городе.

Сетевое напряжение

В этом случае действует тот же принцип, что и в предыдущем разделе: чем шире диапазон рабочих напряжений, тем лучше для нас. К сожалению, бытовые электрические сети незнакомы с понятием «стандарт», поэтому лучше максимально защитить технику от возможных падений. Падение напряжения вряд ли приведет к серьезным последствиям (скорее всего, преобразователь просто отключится), но резкое повышение опасно — может вывести прибор из строя из-за взрыва конденсаторов электролитической сети.

Диапазон частотной регулировки

В этом случае следует полагаться исключительно на конкретные производственные требования и требования к устройству. Так, например, для такого оборудования, как болгарки, важно значение максимальной частоты (от 1000 Гц). Стандарт для нижнего предела — это отношение 1 к 10 от верхнего предела. На практике чаще всего используются преобразователи с диапазоном частот от 10 до 100 Гц.Обратите внимание, что только модели преобразователей с векторным управлением имеют широкий диапазон регулирования.

Входы управления

Дискретные входы предназначены для передачи команд управления преобразователями. Они используются для запуска двигателя, остановки, торможения, обратного вращения и т.д. Аналоговые входы используются для сигналов обратной связи, которые контролируют и регулируют привод непосредственно во время работы. А цифровые используются для передачи высокочастотных сигналов, генерируемых энкодерами (датчиками угла).

Действительно, чем больше входов, тем лучше, но их большое количество не только затрудняет настройку устройства, но и увеличивает его стоимость.

Количество выходных сигналов

Дискретные выходы преобразователя необходимы для вывода сигналов, указывающих на проблемы, такие как перегрев устройства, отклонение входного напряжения от нормы, сбой, ошибка и т.д. Аналоговые выходы необходимы для передачи обратной связи в сложных системах. Принцип выбора тот же: искать баланс между количеством сигналов и стоимостью устройства.

Шина управления

В поисках подходящей шины управления поможет схема подключения преобразователя частоты — количество выходов и входов должно быть как минимум одинаковым, но шину лучше покупать с небольшим запасом — чтобы было намного проще для дальнейшего улучшения устройства.

Перегрузочные способности

считается нормальным, если мощность преобразователя частоты на 10-15% превышает мощность двигателя. Ток также должен быть немного выше номинальной мощности двигателя. Однако этот выбор «на глаз» рекомендуется только в том случае, если необходимая техническая документация на двигатель недоступна. Если возможно, внимательно прочтите требования и выберите подходящий конвертер. Если важны ударные нагрузки, пиковый ток инвертора должен быть на 10% больше указанного значения в%.

Способы управления частотным преобразователем

Есть несколько способов управления преобразователем частоты. Во время работы инвертора контролируются следующие функции:
Старт — Стоп

(Старт — Стоп). Контроль начала вращения и торможения подключенного мотора.
Установка скорости.
Установка рабочей скорости привода.
Экстренная остановка.
Аварийное отключение питания, сигнал разрешения работы.

Эти изменения в работе инвертора производятся путем отправки сигналов от внешних устройств или панели управления. Остальными параметрами можно управлять только с панели управления, некоторые из них активны только при выключенном двигателе.

Способы контроля могут быть следующими:

• управление с клавиатуры (пульта) преобразователя частоты
• дистанционное управление
• аналоговый вход (изменение текущей скорости двигателя)
• дискретные входы (изменяют различные состояния и параметры привода)
• последовательный интерфейс RS-485 или его аналог

Рассмотрим управление преобразователем на примере преобразователя Prostar PR6000.

Самостоятельная сборка

Несмотря на то, что покупка надежного и долговечного преобразователя частоты является приоритетным вариантом, такое устройство можно собрать своими руками. Более одной диаграммы и инструкций о том, как это сделать, было размещено во всемирной паутине. На самом деле сборка своими руками может стать отличной альтернативой, когда вам понадобится преобразователь для небольшого прибора. Самодельное устройство справится со своими задачами не хуже покупного и будет стоить намного дешевле. Но лучше оставить попытки сделать преобразователь пригодным для работы мощных асинхронных двигателей: здесь, как ни старайся, превзойти профессиональные устройства по КПД и качеству не получится.

Итак, давайте подробнее рассмотрим, как собрать преобразователь частоты для асинхронного двигателя своими руками. Отметим, что параметры однофазной бытовой электросети допускают в этом случае использование двигателя мощностью не более 1 кВт.

1. Для работы мотора нам понадобится схема подключения обмоток «треугольник». Для этого необходимо соединить выводы обмоток последовательно, соблюдая принцип «вывод одной обмотки на ввод другой».

1. Чтобы спроектировать преобразователь своими руками, нам потребуются следующие комплектующие:
   • любой микроконтроллер, аналогичный AT90PWM3B;
   • драйвер трехфазного моста (аналог IR2135);
   • 6 транзисторов IRG4BC30W;
   • 6 кнопок;
   • показатель.
2. В конструкцию создаваемого устройства входят две платы, одна из которых содержит драйвер, блок питания, входные клеммы и транзисторы, а другая — индикатор и микроконтроллер. Для соединения плат между собой воспользуемся гибким кабелем.
3. Для сборки привода необходимо использовать импульсный блок питания. Можно использовать уже готовое устройство или собрать самостоятельно (описывать этот процесс мы не будем — это тема для отдельной статьи).
4. Для управления работой двигателя необходимо подавать внешний управляющий ток, однако можно использовать микросхему IL300 с линейной развязкой.
   Изображение
5. Транзисторы и диодный мост установлены на общем радиаторе.
6. Оптопары OS2-4 используются для дублирования кнопок управления.
7. Установка трансформатора на однофазный маломощный преобразователь частоты двигателя не является обязательной. Можно обойтись токовым шунтом сечением кабеля 0,5 мм и подключить к нему усилитель DA-1 (он, кстати, еще и для измерения напряжения будет служить).
8. В нашем случае мы собираем преобразователь для асинхронного двигателя мощностью 400 Вт своими руками, поэтому термодатчик не будем устанавливать — без него схема довольно сложная.
9. По окончании сборки необходимо изолировать кнопки пластиковыми кнопками. Управление кнопками осуществляется с помощью оптической развязки.

Обратите внимание, что при использовании длинных кабелей необходимо надевать кольца для подавления помех.

Позволяет управлять вращением двигателя в диапазоне частот 1:40.

Подключение и настройка

Для подключения преобразователя частоты используется общая схема подключения асинхронного электродвигателя. В схеме преобразователь расположен сразу после дифференциальной машины, рассчитанный на ток, равный мощности двигателя. При установке преобразователя в трехфазную сеть необходимо использовать трехфазный автомат с общим рычагом. Это позволяет в случае перегрузки одной из фаз одновременно отключить все источники питания. Значение срабатывания должно быть адаптировано к току фазы двигателя. А в ситуации, когда преобразователь частоты установлен в сети с однофазным током, целесообразно использовать автомат, рассчитанный на трехфазное значение. Так или иначе, установку прибора нужно производить вручную, без «врезки» в «нулевое» пространство и заземления.

По сути, настройка инвертора заключается в выборе схемы подключения фазных проводов к клеммам двигателя, но часто это зависит от типа сети, к которой они подключены. Для трехфазных электрических сетей на производственных предприятиях двигатель подключается по схеме «звезда» — эта схема предусматривает параллельное соединение проводов обмотки. Для однофазных бытовых сетей напряжением 220 В применяется схема «треугольник» (учтите, что значение выходного тока не должно превышать номинальное значение более чем на 50%).

Панель управления следует размещать в любом удобном для использования месте. Схема его подключения указана в технической документации преобразователя частоты. Перед установкой и перед подачей питания рычаг необходимо установить в выключенное положение. После перевода рычага в положение включения должна загореться соответствующая лампочка. По умолчанию, чтобы запустить устройство, нажмите клавишу «RUN». Для постепенного увеличения оборотов двигателя ручку управления нужно поворачивать медленно. При обратном вращении измените режим с помощью кнопки реверса. Теперь ручку можно установить на желаемую скорость вращения. Обратите внимание, что на панелях управления некоторых преобразователей частоты вместо механической скорости указывается частота питающего напряжения.

Топология силовой части электрических преобразователей

• Инверторы напряжения
• Инверторы тока
• Прямые преобразователи

Корни силовой электроники уходят корнями в 1901 год, когда П.К. Хьюитт изобрел ртутный клапан. Однако современная эра полупроводниковой силовой электроники началась с коммерческого внедрения управляемого кремниевого выпрямителя (тиристора) компанией General Electric в 1958 году. Впоследствии разработка продолжалась в области новых структур, материалов и производства полупроводников, предлагая рынку множество новых устройств с большей мощностью и улучшенной производительностью. Сегодня силовая электроника построена на полевых транзисторах металл-оксид-полупроводник (MOSFET) и биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT), а для диапазонов очень высоких мощностей — на тиристорах с коммутацией затвора со встроенными управляющими тиристорами (IGCT). Также доступны встроенные силовые модули. Открывается новая эра технологий высокого напряжения, высоких частот и высоких температур благодаря появлению многообещающих полупроводниковых устройств на основе широкой запрещенной зоны карбида кремния (SiC). Новые силовые полупроводниковые приборы всегда инициируют разработку новых топологий преобразователей 3.

Инвертор напряжения

• Двухуровневый инвертор напряжения
• Трехуровневый преобразователь с фиксированной нейтральной точкой

• Каскадный Н-мостовой преобразователь
• Конвертер с плавающим конденсатором

Инвертор напряжения — самый распространенный среди преобразователей мощности.

Двухуровневый инвертор напряжения

Инвертор с двухуровневым источником напряжения — это наиболее широко используемая топология преобразователя мощности. Он состоит из конденсатора и двух силовых полупроводниковых переключателей на фазу. Управляющий сигнал для верхнего и нижнего переключателей питания подключен и генерирует только два возможных состояния выходного напряжения (нагрузка подключена к положительной или отрицательной шине источника постоянного напряжения).

Используя методы модуляции для генерации управляющих импульсов, можно синтезировать выходное напряжение с желаемыми параметрами (формой, частотой, амплитудой). Из-за высокого содержания гармоник в выходном сигнале выходной сигнал должен быть отфильтрован для генерации синусоидальных токов, но поскольку эти преобразователи обычно имеют индуктивные нагрузки (двигатели), дополнительные фильтры используются только при необходимости.

Максимальное выходное напряжение определяется значением напряжения шины постоянного тока. Высокое напряжение промежуточной цепи требуется для эффективного управления мощными нагрузками, но на практике это напряжение ограничивается максимальным рабочим напряжением полупроводников. Например, низковольтные IGBT обеспечивают выходное напряжение до 690 В. Чтобы обойти это ограничение напряжения, в последние десятилетия были разработаны многоуровневые схемы преобразования. Эти преобразователи сложнее двухуровневых преобразователей с точки зрения топологии, модуляции и управления, но при этом имеют лучшие показатели с точки зрения мощности, надежности, размера, производительности и эффективности.

Трехуровневый преобразователь с фиксированной нейтральной точкой

В трехуровневом преобразователе с фиксированной нейтральной точкой напряжение постоянного тока делится поровну на два конденсатора, поэтому фаза может быть подключена к положительной линии напряжения (путем нажатия двух верхних клавиш) до средней точки (путем активации двух средних клавиш.) или к линии отрицательного напряжения (нажав две нижние клавиши). В этом случае каждый переключатель должен блокировать только половину напряжения звена постоянного тока, что позволяет увеличить мощность устройства с помощью тех же полупроводниковых переключателей, что и обычный двухуровневый преобразователь. В этом преобразователе обычно используются высоковольтные IGBT-транзисторы и тиристоры IGCT.

Трехуровневая схема преобразователя с фиксированной нейтральной точкой

Недостатками этих преобразователей являются:
• Дисбаланс конденсаторов, создающий асимметрию преобразователя. Предлагается решить эту проблему, изменив метод модуляции.
• Неравномерное распределение потерь из-за того, что коммутационные потери внешнего и центрального переключателей различаются в зависимости от режима работы. Эта проблема не могла быть решена с помощью обычной схемы, поэтому была предложена модифицированная топология: активный преобразователь с подключенной нейтральной точкой (активный NPC). В этой схеме диоды заменены управляемыми переключателями. Таким образом, выбрав соответствующую комбинацию клавиш, можно уменьшить и равномерно распределить убытки.

Преобразователь с фиксированной нейтральной точкой можно масштабировать для достижения более трех уровней выходного сигнала путем деления напряжения промежуточной цепи более чем на два значения с использованием конденсаторов. Любое из этих разделенных напряжений может быть подключено к нагрузке с помощью расширенного набора автоматических выключателей и диодов. Наряду с повышенной мощностью, преимущества многоуровневого преобразователя заключаются в лучшем качестве электроэнергии, более низком dv / dt и связанных с этим электромагнитных помехах. Однако, когда датчик с соответствующей нейтральной точкой имеет более трех уровней, возникают другие проблемы. С точки зрения схемы, в этом случае для блокирующих диодов требуется максимальное рабочее напряжение выше, чем для главных выключателей, что требует использования различных технологий или нескольких последовательно соединенных блокирующих диодов. Более того, нерегулярное использование силовых элементов в цепи становится критичным. В результате из-за увеличения количества элементов надежность снижается. Эти недостатки ограничивают использование преобразователей с фиксированной нейтральной точкой с более чем тремя уровнями в промышленных приложениях.

Многоуровневые преобразователи

Модульные каскадные преобразователи силовых ячеек (CHB) с Н-мостом и преобразователи с летающими конденсаторами были предложены для обеспечения более высоких уровней выходного напряжения, чем преобразователи с фиксированной нейтральной точкой.

Каскадный Н-мостовой преобразователь

Каскадный инвертор — это высокомодульный инвертор, состоящий из нескольких однофазных инверторов, обычно называемых силовыми ячейками, соединенных последовательно для образования фазы. Каждый силовой элемент основан на стандартных компонентах низкого напряжения, что позволяет легко и недорого заменить их в случае выхода из строя.

Основным преимуществом этого преобразователя является использование только компонентов низкого напряжения, при этом он позволяет выдерживать нагрузку большой мощности в диапазоне среднего напряжения. Несмотря на то, что частота переключения в каждой ячейке мала, эквивалентная частота переключения, приложенная к нагрузке, высока, что снижает потери переключения, обеспечивает низкую скорость изменения напряжения (dv / dt) и помогает избежать резонансов.

Преобразователь с плавающими конденсаторами

Выходное напряжение преобразователя с плавающим конденсатором получается путем прямого подключения фазового выхода к положительной, отрицательной дорожке или через конденсаторы. Количество уровней выходного напряжения зависит от количества подвесных конденсаторов и соотношения между различными напряжениями.

Этот преобразователь, как и в случае каскадного преобразователя, также имеет модульную топологию, где каждая ячейка состоит из конденсатора и двух подключенных переключателей. Однако, в отличие от каскадного преобразователя, добавление дополнительных переключателей мощности к конденсаторному преобразователю не увеличивает номинальную мощность преобразователя, а только снижает скорость изменения напряжения (dv / dt), улучшая гармонические искажения выходного сигнала. Как и в случае с каскадным преобразователем, модульность снижает затраты на замену компонентов, упрощает поддержку и обеспечивает отказоустойчивую работу.

Конденсаторный преобразователь требует только одного источника постоянного тока для питания всех ячеек и фаз. Таким образом, можно обойтись без входного трансформатора, а количество ячеек можно произвольно увеличивать в зависимости от необходимой выходной мощности. Как и преобразователь с фиксированной нейтральной точкой, этот преобразователь требует специального алгоритма управления для регулирования напряжения на конденсаторах.

Инвертор тока

Инвертору тока всегда требуется управляемый выпрямитель для обеспечения постоянного тока в звене постоянного тока. В стандартной топологии обычно используются тиристорные выпрямители. Для уменьшения шума нагрузки в промежуточной цепи используется разделенная индуктивность. Инвертор тока имеет схему переключателя мощности, аналогичную инвертору напряжения, но в качестве переключателей мощности используются встроенные управляющие тиристоры (IGCT). Выходной ток имеет форму ШИМ и не может быть напрямую приложен к индуктивной нагрузке (двигателю), поэтому инвертор тока обязательно включает выходной емкостной фильтр, который сглаживает ток и подает равномерное напряжение на нагрузку. Этот преобразователь может быть использован для работы на среднем напряжении и, более того, по своей природе он имеет способность рекуперировать энергию.

Прямые преобразователи

Прямые преобразователи передают энергию напрямую от входа к выходу без использования элементов хранения энергии. Основное преимущество таких преобразователей — меньшие габариты. Обратной стороной является необходимость более сложной схемы управления.

Циклоконвертер относится к разряду прямых преобразователей. Этот преобразователь широко используется в приложениях большой мощности. Этот преобразователь состоит из двойных тиристорных преобразователей на каждую фазу, которые могут генерировать переменное постоянное напряжение, управляемое в соответствии с опорным синусоидальным сигналом. На вход каждого трансформатора подается фотопереходящий трансформатор, который устраняет низшие гармоники входного тока. Выходное напряжение является результатом комбинации сегментов входного напряжения, где основная гармоника следует за опорным сигналом. По своей природе этот преобразователь подходит для управления низкочастотными нагрузками большой мощности.

Матричный трансформатор в прямом и косвенном вариантах также относится к категории прямых трансформаторов. Основным принципом прямого матричного преобразователя является возможность подключения выходной фазы к любому входному напряжению. Преобразователь состоит из девяти двунаправленных переключателей, которые могут подключать любую входную фазу к любой выходной фазе, позволяя току течь в обоих направлениях. Для улучшения входного тока требуется индуктивно-емкостной фильтр второго порядка. Выход подключен непосредственно к индуктивной нагрузке. Возможны не все доступные комбинации клавиш, они ограничены всего 27 правильными состояниями переключения. Как упоминалось выше, основным преимуществом матричных преобразователей является их небольшой размер, что важно для автомобильных и авиационных приложений.

Непрямой матричный преобразователь состоит из двунаправленного трехфазного выпрямителя, виртуального звена постоянного тока и трехфазного инвертора. Количество силовых полупроводников такое же, как и в прямых матричных преобразователях (если двухсторонний переключатель рассматривается как два односторонних переключателя), но количество возможных состояний включения другое. Используя ту же конфигурацию, что и косвенный матричный преобразователь, можно упростить его топологию и уменьшить количество элементов, ограничив его работу положительным напряжением в виртуальной промежуточной цепи. Редуцированная топология называется преобразователем разреженных матриц).

Рекомендуемый выбор частотного преобразователя

В нем учтены задачи, стоящие перед использованием электропривода. Для их решения определите:

• Мощность и тип двигателя, которые могут быть стандартными, асинхронными или специальными.
• Электрическая совместимость с нагрузкой.
• Применение преобразователя частоты с одной или несколькими машинами.
• Регулируемые ограничения скорости.
• Точность команд поддержания крутящего момента.

Особенности конструкции преобразователя частоты:

• Габариты устройства.
• Появление.
• Возможность подключения дополнительной панели управления.

Преобразователь частоты подходящей мощности должен соответствовать характеристикам асинхронного двигателя. Для высокого пускового момента, кратковременного ускорения или быстрой остановки преобразователя частоты заказывайте уровень выше стандартного. В синхронных, быстродействующих и других электрических машинах они приводятся в действие номинальным током инвертора. Его значение должно быть выше потребляемого уровня. А также учтите тонкости настройки данных электропривода.