Схема преобразователя частоты

Максим Исаев
Время чтения: 7 мин
1 470
Дата обновления: 02.02.2024

В данном схемотехническом построение указаны общие принципы построения и работы частотных преобразователей. Для полного понимания работы принципиальной схемы ее диагностики и тестирования важно пройти курс по ремонту преобразователей частоты.

Назначение частотного преобразователя

Скорость вращения синхронных и асинхронных двигателей зависит от частоты переменного тока. Ранее для изменения скорости вращения вала применялась специальная конструкция двигателей. С развитием полупроводниковых приборов, силовых элементов электроники и микропроцессорной техники появились устройства способные изменять частоту переменного тока в широких пределах.

Появилась возможность изменять направление вращения вала двигателя не прибегая к изменению подключению фазных проводов на клеммах электродвигателя. Такие устройства получили название – преобразователи частоты.

Конструктивно частотные преобразователи похожи на импульсные блоки питания, только выполняют другую задачу. ИБП изменяют амплитудную величину входного напряжения до требуемой выходной (постоянной или переменной). Преобразователи частоты изменяют частоту сетевого напряжения в требуемую величину, для работы электродвигателя с необходимой скоростью вращения.

Структурная схема частотного преобразователя

Частотные преобразователи имеют следующую структурную схему 

Структурная схема преобразователя частоты

Рис.1 Структурная схема преобразователя частоты

В состав преобразователя частоты входит:

  • выпрямитель сетевого напряжения
  • сглаживающий конденсатор
  • токоограничивающий резистор (термистор) 
  • инвертор
  • микроконтроллер
  • плата индикации 

Работа 3-х фазной и однофазной сетей. Мостовые схемы, их работа

Для работы преобразователя частоты FR/CR применяется трехфазное или однофазное напряжение 380/220 Вольт промышленной частоты 50 Гц. В зависимости от конструкции преобразователя.

График работы 3 х фазной сети

Рис.2. График работы 3-х фазной сети

График работы однофазной сети

Рис.3. График работы однофазной сети

В связи с этим условием, если устройство рассчитано на подключение к 3-х фазной сети, то выпрямитель строится по схеме Ларионова (см. рис.4 блок D1).

Схема мостовых выпрямителей

Рис.4 Схема мостовых выпрямителей 

На выходе данного моста получаем форму пульсирующего напряжения (см. рис.2 диаграмма 2).

А если устройство рассчитано на 220 Вольт (однофазная сеть), то выпрямитель строится по схеме, (см. рис. 4 блок D2). На выходе данного моста получаем форму пульсирующего напряжения (см. рис.3 диаграмма 2). 

Напряжение пульсирующей формы поступает на сглаживающий фильтр состоящий из дросселя L и набора конденсаторов С1 – Сn (см. рис. 5). После фильтра, согласно схемы, напряжение принимает вид изображенный на рисунках 2 или 3, в зависимости от поступающего напряжения на вход (нижняя диаграмма). Ограничительный резистор R предназначен для защиты схемы диодов моста при зарядке блока конденсаторов, в момент начального запуска. После этого резистор блокируется реле K1 и не оказывает влияния на работу схемы. 

Функциональная схема преобразователя частоты

Рис.5 Функциональная схема преобразователя частоты

Для 3-х фазной и однофазной сети блок конденсаторов разрабатывается по разному, так как напряжения с выхода диодного моста (VD) отличаются.

 

Блок-схема преобразователя частоты

Выпрямленное и сглаженное фильтром L,C (см. рис.5) постоянное напряжение подается на высоковольтные ключи блока инвертора: Q1,Q2,Q3. В качестве ключей применяются транзисторы IGBT, способные выдерживать высокое напряжение и большие токи. Управление такими ключами осуществляется подачей положительного импульса, так как в их структуру входит MOSFET транзистор на входе. Таких транзисторов в инверторе используется шесть (см. рис.5).

Высоковольтные ключи могут применятся как одиночно, так и изготавливаются в сборке, в виде  модуля. Такой модуль состоит из шести IGBT транзисторов. В более усовершенствованных моделях применяют гибридную микросхему, состоящую из: 

  • диодный мост
  • терморезистор
  • тормозящий транзистор 
  • модуль из шести IGBT транзисторов

Примером служат сборки (7MBR35/50/SB120 или FP75R12KE3, смотреть даташит сборок). Такие сборки делают устройство компактным.

Для обеспечения стабильной работы преобразователя частоты требуются дополнительные напряжения питания электронных узлов, помимо высоковольтного. Поэтому применяется дополнительный источник питания (см. рис.5 блок ИБП), который формирует необходимые напряжения для работы низковольтных цепей.

Для стабильной работы CPU применяется схема с линейными стабилизаторами на 5 Вольт (LM7805). Питание системы охлаждения также осуществляется от этого источника. При этом используется напряжение 24 В согласно принципиальной схемы. Из этого напряжения через стабилизатор 7815, используется напряжение для питания драйверов верхнего (HVIC) и нижнего (LVIC) плеча инвертора выполненных на оптоэлектронной развязке вида TLP155E, HCPL3120 и других (см. рис.5 блоки P1, P2, P3). 

Для открытия IGBT транзисторов требуются высокие уровни входного напряжения на затворах. Поэтому в схему между выходными выводами микроконтроллера и ключом IGBT затвор GATE, (см. рис.5 блоки Q1,Q2,Q3) установлен драйвер; согласно схемы его включения верхнего и нижнего плеча.

Так как ключи силового инвертора должны включаться и выключаться строго в определенное время, эту задачу выполняет микроконтроллер (его схема включения показана на рис.5) по заданному алгоритму, то есть формирует импульсы для транзисторных ключей. 

 

Принцип управления силовым инвертором

На схеме рисунка 5, ток протекает через блок Q1 верхний по схеме транзистор, блок Q2 и Q3 нижние по схеме транзисторы; далее поступает на обмотку двигателя А и выходит из обмотки В и С. И через открытые транзисторы уходит на минус. Не допускается одновременное открытие верхнего и нижнего ключа в одном блоке (Q1,Q2,Q3). Для того чтобы изменить ток в обмотке В или С необходимо переключать ключи в блоках Q2 или Q3 таким образом, чтобы ток поступал в обмотку С, а уходил через обмотку двигателя В, транзисторный ключ и в минусовую цепь. Таким образом меняя положение открытых и закрытых ключей можно менять ток в обмотках. А если открывать и закрывать ключ с определенной частотой и на определенное время можно изменять скорость вращения ротора.

Контроллеры преобразователей частоты модулируют синусоиду при помощи ШИМ (см. рис.6). 

Схема работы ШИМ преобразователя частоты

Рис.6 Схема работы ШИМ преобразователя частоты

При этом транзисторы на высокой частоте открываются и формируют импульсы разной длительности (см. рис.6 нижняя диаграмма). Длительность импульсов зависит от того, какой момент синусоиды необходимо смоделировать. На подъеме импульсы минимальной ширины, на пике синусоиды максимальной. На спаде ширина импульсов уменьшается (см. рис.6 верхняя диаграмма). 

Период сигнала ШИМ – это время между импульсами. Параметр задан и не меняется. Частота ШИМ модуляции обратно пропорциональна к длительности периода. Этот параметр можно изменять при программировании преобразователя частоты. Длительность импульса определяется процессором, то есть CPU от значения выходного сигнала определяет на какое время необходимо открыть ключ. Эта частота будет на выходе преобразователя и ее величина зависит от скорости вращения двигателя (обратная связь). Фазы В и С работают аналогично, только имеют сдвиг во времени на 120 градусов относительно друг друга. На рисунке 6 рассмотрен принцип работы одной фазы.

Вся синусоида смоделированная ШИМ-контроллером сглаживается на обмотках двигателя, так как он имеет индуктивный характер, и воспринимается им как обычная синусоида (см. рис.6 нижний график).

В схему некоторых преобразователей частоты установлены сглаживающие LC фильтры, для получения чистой синусоиды на выходе. Так как контроллер открывает и закрывает схему из шести транзисторов в строго определенное время и с большой частотой, то можно моделировать синусоиду любой частоты. Благодаря этому можно запускать синхронные двигатели, вал которых не может вращаться в такт с магнитным полем, за счет своей инерционности.  

При помощи преобразователя частоты можно создавать медленно вращающееся поле, чтобы ротор успевал за полем. И после того преобразователь плавно раскрутит ротор до необходимых оборотов. 

В преобразователе частоты возможно программно менять фазы местами, тем самым обеспечивать вращение ротора в разные стороны. С выводов силовых ключей снимается 3-х фазное напряжение (U,V,W) 220/380 для работы электродвигателя. Ток в каждой обмотке двигателя контролируется через специализированные датчики тока (ТА, ТВ, ТС) (см. рис. 5). Для исключения перегрузки двигателя напряжение подводимое к нему через датчики тока связано с процессором. Таким образом определяется необходимое время импульса. В случае превышения номинального значения CPU выдает ошибку на экран индикации и останавливает работу.         

Частотными преобразователями можно управлять дистанционно, для этого в схеме имеются специальные клеммы или выводы. 

Немаловажную роль играет торможение двигателя. Для этого применяется транзисторная или резистивная схема. Так как при снятии питания, двигатель продолжает инерционно вращаться, в этот момент он становится генератором и вырабатывает энергию. Для исключения этого эффекта в схеме, применяются тормозные резисторы, подключенные к обмоткам двигателя. Возникает нагрузка, двигатель останавливается. Тормозные резисторы имеют большие габариты и мощность. В конструкции преобразователей частоты большее применение получили схемы с рекуперативным торможением. При таком виде торможения, энергия сгенерированная двигателем возвращается в сеть. В преобразователях частоты такого типа вместо входных диодов моста применяется схема на  IGBT транзисторах, которые также управляются контроллером. Это усложняет его работу, но схема функционирует более эффективно из-за отсутствия падения напряжения на диоде. Нагрузкой в данной схеме для двигателя будет сеть. При этом электродвигатель останавливается, так как схема работает в обратном направлении.

Выводы 

  • Преобразователь частоты позволяет точно настраивать частоту переменного тока при работе двигателя. Применяется в основном на предприятиях, лифтах, насосах, вытяжках, подъемниках. Защищает двигатель от износа, обеспечивает стабильную работу оборудования, не причиняет вреда ему при скачках напряжения. 
  • Для того чтобы успешно выполнять компонентный ремонт преобразователей частоты, важно уметь разбираться в принципиальной схеме. 
  • Частотный преобразователь является сложным дорогостоящим устройством, требующим навыки настройки и его использования. Имеет сложную схемотехнику, низкую ремонтопригодность, за счет многослойных печатных плат. Требует поиск высококвалифицированных специалистов по обслуживанию и ремонту 

Комментарии

Подписаться
Уведомить о
guest

2 Комментарий
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии
artem134

Подскажите, что чаще всего ломается в преобразователях частоты для асинхронных двигателей? У нас насосное оборудование, большое количество и есть частотное регулирование. Хочу понимать, какие ремонты возможно предстоит делать.