Функциональная схема преобразователя частоты, выполненного по схеме источника тока

Электронный преобразователь частоты состоит из схем, в состав которых входит тиристор или транзистор, которые работают в режиме электронных ключей. В основе управляющей части находится микропроцессор, который обеспечивает управление силовыми электронными ключами, а также решение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика, защита).

В зависимости от структуры и принципа работы электрического привода выделяют два класса преобразователей частоты:

• 1. С непосредственной связью.
• 2. С явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.

Каждый из существующих классов преобразователей имеет свои достоинства и недостатки, которые определяют область рационального применения каждого из них.

В преобразователях с непосредственной связью электрический модуль представляет собой управляемый выпрямитель. Система управления поочередно отпирает группы тиристоров и подключает обмотки двигателя к питающей сети.

Таким образом, выходное напряжение преобразователя формируется из «вырезанных» участков синусоид входного напряжения. Частота выходного напряжения у таких преобразователей не может быть равна или выше частоты питающей сети. Она находится в диапазоне от 0 до 30 Гц, и как следствие — малый диапазон управления частотой вращения двигателя (не более 1: 10). Это ограничение не позволяет применять такие преобразователи в современных частотно регулируемых приводах с широким диапазоном регулирования технологических параметров.

Использование незапираемых тиристоров требует относительно сложных систем управления, которые увеличивают стоимость преобразователя. «Резаная» синусоида на выходе преобразователя с непосредственной связью является источником высших гармоник, которые вызывают дополнительные потери в электрическом двигателе, перегрев электрической машины, снижение момента, очень сильные помехи в питающей сети. Применение компенсирующих устройств приводит к повышению стоимости, массы, габаритов, понижению КПД системы в целом.

Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых модулях находят преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока. В преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе, фильтруется фильтром, сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению КПД и к некоторому ухудшению массо-габаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью. Для формирования синусоидального переменного напряжения используют автономный инвертор, который формирует электрическое напряжениезаданной формы на обмотках электродвигателя (как правило, методом широтно-импульсной модуляции). В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные модификации GCT, IGCT, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.

Применение частично — регулируемого привода ЧРП применяются в:

судовом электроприводе большой мощности прокатных станах (синхронная работа клетей) высокооборотном приводе вакуумных турбомолекулярных насосов (до 100 000 об/мин.).

конвейерных системах резательных автоматах станках с ЧПУ — синхронизация движения сразу нескольких осей (до 32 — например в полиграфическом или упаковывающем оборудовании) (сервоприводы) автоматически открывающихся дверях мешалках, насосах, вентиляторах, компрессорах стиральных машинах бытовых инверторных сплит-системах на электротранспорте: электровозах, электропоездах, трамваях и троллейбусах в текстильной промышленности (для поддержания постоянной скорости и натяжения ткани между различными узлами машины) в системах позиционирования в системах пневмопочты (для плавного старта и торможения капсулы, например, с пробами крови в медицинских учреждениях) Наибольший экономический эффект даёт применение ЧРП в системах вентиляции, кондиционирования и водоснабжения, где применение ЧРП стало фактически стандартом.

Преимущества применения ЧРП Высокая точность регулирования Экономия электроэнергии в случае переменной нагрузки (то есть работы эл. двигателя с неполной нагрузкой) Равный максимальному пусковой момент Возможность удалённой диагностики привода по промышленной сети Распознавание выпадения фазы для входной и выходной цепей Учёт моточасов Повышенный ресурс оборудования Уменьшение гидравлического сопротивления трубопровода из-за отсутствия регулирующего клапана Плавный пуск двигателя, что значительно уменьшает его износ ЧРП как правило содержит в себе ПИД-регулятор и может подключаться напрямую к датчику регулируемой величины (например, давления).

Управляемое торможение и автоматический перезапуск при пропадании сетевого напряжения Подхват вращающегося электродвигателя Стабилизация скорости вращения при изменении нагрузки Значительное снижение акустического шума электродвигателя, (при использовании функции «Мягкая ШИМ»).

Дополнительная экономия электроэнергии от оптимизации возбуждения эл. двигателя Позволяют заменить собой автоматический выключатель Недостатки применения ЧРП Большинство моделей ЧРП являются источником помех Сравнительно высокая стоимость для ЧРП большой мощности (окупаемость минимум 1−2 года) Старение конденсаторов главной цепи Потери энергии при торможении двигателя Во многих установках на регулируемый электропривод возлагаются задачи не только плавного регулирования момента и скорости вращения электродвигателя, но и задачи замедления и торможения элементов установки. Классическим решением такой задачи является система привода с асинхронным двигателем с преобразователем частоты, оснащённым тормозным переключателем с тормозным резистором.

При этом в режиме замедления/торможения электродвигатель работает как генератор, преобразуя механическую энергию в электрическую, которая в итоге рассеивается на тормозном резисторе. Типичными установками, в которых циклы разгона чередуются с циклами замедления являются тяговый привод электротранспорта, подъёмники, лифты, центрифуги, намоточные машины и т. п. Функция электрического торможения вначале появилась на приводе постоянного тока (например, троллейбус). В конце ХХ века появились преобразователи частоты со встроенным рекуператором, которые позволяют возвращать энергию, полученную от двигателя, работающего в режиме торможения, обратно в сеть. В этом случае, установка начинает «приносить деньги» фактически сразу после ввода в эксплуатацию.