Как известно, скорость асинхронного электродвигателя переменного тока зависит от частоты и от числа пар полюсов обмоток.
Для изменения скорости существует несколько решений, в том числе:
Использование редуктора – это позволяет механически уменьшать выходную скорость за счет увеличения крутящего момента - выходная шестерня имеет больше зубьев, чем входная шестерня.
Изменение числа пар полюсов – существуют многоскоростные двигатели, которые позволяют регулировать частоту вращения за счет переключения обмоток на определенное количество полюсов. При этом скорость двигателя изменяется ступенчато.
Использование преобразователя частоты - позволяет управлять скоростью двигателя, за счет изменения частоты/напряжения.
Данный способ позволяет регулировать скорость двигателя в широком диапазоне, что невозможно сделать при использовании только механического редуктора или добавления дополнительных пар полюсов.
Далее рассмотрим назначение и принцип работы частотного преобразователя.
Что такое частотный преобразователь?
Частотный преобразователь - это устройство, используемое для регулирования скорости и крутящего момента двигателей асинхронного типа, принцип действия которого основан на зависимости скорости вращения магнитного поля от частоты питающего напряжения.
Благодаря частотным преобразователям удается добиться максимально возможного КПД, широкого диапазона регулирования скорости, момента, ускорения, линейного положения, экономии электроэнергии и т.д.
По методу управления частотные преобразователи могут быть как скалярными, так и векторными.
При скалярном управлении поддерживается постоянное соотношение между выходным напряжением и выходной частотой.
Такой тип управления подходит для многих задач, не требующих особо высокой точности. Например, управление насосными станциями, приточно-вытяжными системами вентиляции.
Векторный режим позволяет контролировать не только выходное напряжение и частоту, но и фазу. То есть контролируется величина и угол пространственного вектора, что позволяет независимо регулировать скорость и момент на валу электродвигателя.
Векторная модель управления несколько сложнее скалярной, но при этом позволяет добиться повышенной точности и расширенного диапазона регулирования, быстрой реакции на изменение нагрузки и т.д.
Благодаря этому, векторное управление получило распространение в различных системах позиционирования, подъемных механизмах, экструдерах, металлообработке и целом ряде других сфер.
Также стоит отметить, что векторное управление, в свою очередь, также разделяется на два типа – с обратной связью и без обратной связи (бессенсорное).
Управление с обратной связью подразумевает наличие датчиков обратной связи, в частности энкодеров. Это позволяет точно регулировать момент даже при низких частотах до 1 Гц.
Энкодер устанавливается на вал двигателя либо другого механизма, связанного с двигателем и передает данные о текущей частоте вращения частотному преобразователю. На основании этих данных ЧП меняет напряжение, момент и, соответственно, скорость двигателя.
В системах без обратной связи скорость вращения двигателя определяется по математической модели на основе данных характеристик двигателя и данных о мгновенных значениях тока и напряжения. Далее, на основе этих расчетов, преобразователь изменяет значение выходной частоты.
Перед вводом в эксплуатацию ЧП в векторном режиме без обратной связи, необходимо провести автоадаптацию на холостом ходу.
Как работает частотный преобразователь?
Большинство преобразователей частоты работают по схеме двойного преобразования, или промежуточного звена постоянного тока.
В их основе лежит три основных звена: выпрямитель, силовой импульсный инвертор и управляющий модуль.
Первой ступенью частотно-регулируемого привода переменного тока является преобразователь, или выпрямитель, состоящий из шести диодов. Используя аналогию с гидравлической системой, эти диоды можно сравнить с обратными клапанами, которые пропускают поток только в одном направлении.
После выпрямления мы получаем пульсирующее напряжение. Избавиться от пульсаций на шине постоянного тока можно, добавив емкостной фильтр.
Следующей ступенью у нас идет инвертор, который преобразует постоянное напряжение обратно в переменное, с изменяемой амплитудой и частотой.
Хотя на рисунке для упрощения показаны обычные переключатели, по факту в инверторе применяются IGBT-транзисторы, работающие в ключевом режиме.
Как работают IGBT-транзисторы?
IGBT-транзисторы представляют собой биполярные транзисторы с изолированным затвором, широко применяемые в силовой электронике.
По сути, он состоит из двух транзисторов, подключенных каскадно, один из которых – биполярный, применяется в качестве силового, а полевой – в качестве управляющего.
Управляется IGBT-транзистор путем подачи напряжения на затвор, изолированный от цепи.
При подаче управляющего напряжения, в затворе и истоке полевого транзистора открывается n-канал. При этом начинается движение зарядов из n области в p, что приводит к открытию биполярного транзистора, в результате чего через эмиттер - коллектор протекает ток.
При этом, если напряжение недостаточное, затвор остается закрытым (выключенным), и ток дальше не протекает.
Вернемся к схеме частотного преобразователя.
Каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока.
Верхние IGBT-транзисторы, представленные как переключатели, подключены к положительной шине, а нижние - к отрицательной шине.
Управляя скоростью и последовательностью открытия и закрытия этих переключателей, мы можем управлять фазами и частотой нашего сигнала.
Например, если мы хотим уменьшить частоту двигателя, например, до 30 Гц, то мы просто медленнее переключаем транзисторы инвертора. Но при этом необходимо понизить и напряжение, чтобы сохранить соотношение V / Hz.
Как же осуществляется управление транзисторами?
А осуществляется оно управляющим модулем, на базе микропроцессора, при помощи ШИМ (широтно-импульсная модуляция) сигнала.
ШИМ представляет собой способ управления за счет изменения длительности импульсов (скважности) - чем шире будет импульс открытия транзистора, тем выше будет средний уровень напряжения.
Формируя импульсы заданной последовательности и определенной частоты, можно добиться любого среднего уровня напряжения на выходе преобразователя.
Таким образом, на выходе формируется трехфазное, или однофазное переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Причем форма сигнала на выходе получается близкой к синусоидальной.
Также стоит сказать о встроенной защите частотного преобразователя от короткого замыкания на земле. Для этого используются токовые датчики.
T3- это датчик тока, который измеряет первичный ток, поступающий в привод.
Датчики T1 и T2 измеряют выходной ток.
Если измеренные значения отличаются, управляющий модуль отключает привод.