Преобразователи частоты

Виды преобразователей частоты

Частотные преобразователи различаются по конструкции, принципу действия, способу управления. По конструктивному исполнению их разделяют на две большие группы:

Серия VF-51 – универсальный и компактный преобразователь с перегрузкой 150%, мощностью от 0,4 до 22 кВт. Подходит для применения с насосами, вентиляторами, станками и конвейерами.

Серия VF-101 – специализированный преобразователь частоты с перегрузкой 150%, мощностью от 0,75 до 1120 кВт, совместим с различными сетевыми протоколами. Подходит для систем отопления, вентиляции и кондиционирования, а также насосов, общепромышленных применений, в том числе с тяжелыми пусками.

Несинхронизируемые ПНЧ

Отечественная промышленность выпускает несинхронизируемый ПНЧ типа КР1108ПП1 и аналогичный КР1143ПП1. Их зарубежные аналоги, совместимые по выводам — ADVFC32 фирмы Analog Devices, VFC32 и VFC320 фирмы Burr-Brown. ПНЧ включает в себя усилитель, компаратор, одновибратор, источник стабильного тока, аналоговый ключ и выходной транзистор. Для построения ПНЧ микросхему следует дополнить двумя конденсаторами и двумя резисторами. Конденсатор задает длительность импульса одновибратора t = kC2, где k определяется характеристиками микросхемы (в VFC32 I0 = 1 мА, k = 75 кОм). Импульсы тока I0 уравновешивают ток, вызываемый входным напряжением VIN

TVIN / R1 = kC2I0.

Откуда f = 1 / T = VIN / (kI0R1C2). (1)

Следует, что стабильность характеристики преобразования ПНЧ зависит от стабильности внешних элементов и внутренних параметров микросхемы. Кроме того, для обеспечения высокой линейности преобразования конденсатор необходимо выбирать с малой утечкой и малым коэффициентом диэлектрической абсорбции (полипропиленовый, полистирольный, поликарбонатный).

Диапазон входных токов задается равным 0,25I0, а резистор устанавливает входной диапазон напряжения от 0 до VINmax = 0,25I0R1.

ПНЧ содержит выходной каскад с открытым коллектором. Напряжение питания этого каскада выбирается из условия согласования с последующими цифровыми цепями. Допустимый ток его достаточен для управления светодиодом оптрона или обмоткой импульсного трансформатора в схемах гальванической изоляции аналоговых входов.

С помощью рассматриваемого ПНЧ можно преобразовывать отрицательные напряжения, но для этого нужно изменить подключение входного сигнала. Иными словами, прямое преобразование биполярных сигналов не предусмотрено.

При расширении диапазона изменения выходной частоты все заметнее проявляется конечное время переключения аналоговых ключей, что выражается в интегральной нелинейности преобразования. Ее минимальная погрешность (0,01 %) достигается в узком диапазоне частот 0–10 кГц. В расширенном диапазоне выходных частот (0–500 кГц) погрешность нелинейности увеличивается до 0,2 %.

Еще один популярный ПНЧ — AD654 фирмы Analog Devices — имеет следующие отличительные особенности: питание от одного источника напряжения 5 В, ток потребления 2 мА, высокое входное сопротивление (250 МОм), малые смещение (1 мВ) и дрейф нуля (4 мкВ/°С), небольшие начальное отклонение (±10 %) и температурный дрейф коэффициента преобразования (50*10-6/°С). Микросхема требует всего два внешних элемента RT и CT для задания характеристики преобразования:

f = VIN / (10 RT CT).

Максимальная частота может быть установлена до 500 кГц при динамическом диапазоне 80 дБ (диапазон входного тока — от 100 нА до 1 мА). С помощью RT диапазон входных напряжений можно устанавливать от 10 мкВ – 100 мВ до 3 мВ – 30 В.

Входной усилитель позволяет работать напрямую с малыми сигналами термопары или тензодатчика. Выходной каскад AD654 согласуется с КМОП- и ТТЛ-схемами, управляет светодиодом оптрона, работает на длинный кабель.

Синхронизируемые ПНЧ

Точность ПНЧ определяется точностью вольт-секундной площади импульса обратной связи, поэтому вместо одновибратора в синхронизируемых ПНЧ длительность импульса обратной связи формируется равной периоду опорной частоты тактового генератора с кварцевой стабилизацией.

Рассмотрим микросхемы AD7741 / AD7742, заявленные фирмой Analog Devices как новое поколение синхронизируемых ПНЧ.

AD7741 — это одноканальная версия в 8-выводном корпусе (DIP/SOIC), а AD7742 — многоканальная в 16-выводном (DIP/SOIC). Микросхема AD7741 имеет один буферизированный вход и работает с однополярным входным напряжением в диапазоне 0–VREF. AD7742 имеет четыре буферизированных входа, которые могут быть использованы как два дифференциальных или три псевдодифференциальных для работы с дифференциальным входным сигналом в диапазоне ±VREF/GAIN.

AD7742 имеет вход GAIN установки коэффициента усиления 1 или 2 и вход UNI/BIP задания униполярного/биполярного преобразования. Обе микросхемы содержат встроенный источник опорного напряжения VREF = +2,5 В, но предоставляют пользователю возможность подключать внешний источник. Обе питаются напряжением +5 В, потребляя ток 6 мА. Микросхемы также содержат блок логики понижения энергопотребления, который позволяет снизить потребление тока до 35 мкА в «спящем» режиме.

Входной сигнал через усилитель подается на емкостной модулятор, который преобразует входное напряжение в выходную последовательность импульсов фиксированной длительности. Выходной импульс генерируется по фронту сигнала тактового генератора. Длительность выходного импульса равна длительности тактового, а задержка между фронтом последнего и фронтом импульса на выходе обычно составляет 9 нс.

Многоканальное аналого-цифровое преобразование с использованием синхронизируемых ПНЧ

Характерной особенностью AD7741/AD7742 является смещенный диапазон выходной частоты: нижней границе входного диапазона соответствует выходная частота 0,05FCLKIN, а верхней — 0,45FCLKIN. Таким образом, диапазон выходной частоты составляет 0,4FCLKIN. Максимально допустимая частота тактового генератора — 6 МГц.

Характеристика преобразования: а) AD7741, б) AD7742 в биполярном режиме

Выход обеспечивает КМОП-уровни и позволяет подключать одну ТТЛ-нагрузку. Для управления светодиодом оптопары требуется усилитель или специальная схема с входным током менее 1,6 мА.

Удобно использовать ПНЧ совмест но с микроконтроллерами, имеющими встроенные таймеры/счетчики. В восьмиканальном модуле ввода аналоговых сигналов AIN8 комплекса Decont производства АОЗТ «ДЭП» применен PIC-процессор. На встроенный счетчик сигналы с выходов ПНЧ подаются по очереди через мультиплексор.

Одновременное многоканальное преобразование требует большого числа счетчиков. Реализовать массив счетчиков со схемой управления и выходом в магистраль микропроцессора можно в программируемой логической интегральной схеме, как это сделано в модуле аналоговых сигналов A16 производства АО «ТЕКОН» (Москва).

Большинство микросхем ПНЧ могут быть использованы для обратного преобразования «частота—напряжение» (ПЧН). Включение VFC32 для работы в режиме интегрирующего ЦАП, выходное напряжение которого пропорционально среднему значению частоты входного сигнала. ПЧН полезны в схемах гальванической развязки аналоговых сигналов, в тахометрах, в электроприводе, в телеметрии.

Для электронных счетчиков электроэнергии созданы преобразователи произведения двух напряжений в частоту следования импульсов [3], например AD7750.

Микросхемы ПНЧ ведущих фирм производителей электронных компонентов для аналого-цифрового преобразования:

• Analog Devices (AD537, AD650, AD652, AD654, ADVFC32, AD7741, AD7742, AD7750);
• Burr-Brown (VFC32, VFC320, VFC100, VFC101, VFC110, VFC121);
• National Semiconductor (LM231, LM331);
• TelCom (TC9400, TC9401, TC9402);
• ПО «Альфа», г. Рига (КР1108ПП1).

При выборе ПНЧ следует учитывать:

• количество внешних компонентов, требования к их качеству, цену;
• точность ПНЧ (характеризуется интегральной нелинейностью, смещением и дрейфом нуля, смещением и дрейфом коэффициента преобразования);
• диапазон выходной частоты (Df = fmax – fmin) для получения требуемой разрешающей способности за время измерения;
• входное сопротивление или входной ток для согласования с датчиками;
• энергопотребление (количество и уровни напряжений питания, ток потребления);
• возможность прямого подключения оптрона к выходу ПНЧ.

Как работает преобразователь частоты для асинхронного двигателя?

В основе устройства — инвертор с двойным преобразованием. Он функционирует следующим образом:

• Вначале осуществляется прохождение входного переменного тока с 380 или 220 Вольт через диодный мост, после чего происходит его выпрямление.
• Затем производится его подача на группу конденсаторов. Там он сглаживается и фильтруется.
• После этого ток переходит на управляющие микросхемы и мостовые ключи. Там формируется трехфазная широтно-импульсная последовательность с определенными параметрами.
• На заключительном этапе под воздействием индуктивности обмоток осуществляется преобразование созданных импульсов прямоугольной формы в синусоидальное напряжение.

Способ управления ПЧ

Частотные преобразователи PM150A-4T030B-H или PM150A-4T037B-H обеспечивают регулировку частоты вращения двигателя и в скалярном, и в векторном режиме.

Скалярный

Скалярный режим управления ПЧ часто называют U/F или вольт-частотным. Он сохраняет неизменными магнитное поле статора и номинальный момент на валу вне зависимости от того, с какой скоростью вращается вал.

При этом при эксплуатации на близких к минимальным частотам скорость вращения вала изменяется. Направление изменения зависит от нагрузки: при ее увеличении скорость становится ниже, при уменьшении — увеличивается. На величину изменения параметров влияют параметры электродвигателя.

Чтобы сохранить момент на частоте до 5-10 Гц, важно правильно скорректировать напряжение кривой U/F. Если увеличить напряжение — увеличится пусковой момент, потребление тока вырастет и, как следствие, увеличится нагрев. При вольт-частотном управлении рекомендуется задавать частоту от 15 до 50 Гц.

Скалярный метод управления позволяет преобразователю частот управлять показателями сразу нескольких электродвигателей, если для них предусмотрена отдельная защита по току.

Такой режим подходит для решения различных задач. С ПЧ в скалярном режиме работают электроприводы насосов, вентиляторов, компрессоров, станков и другого производственного оборудования.

Векторный

Векторный режим ПЧ обеспечивает неизменную скорость вращения при переменной нагрузке, так как регулирование выходного напряжения происходит в авторежиме. Таким образом модель в векторном режиме обеспечивает бесперебойное функционирование двигателя при небольших частотах, так как самостоятельно компенсирует уменьшение напряжения в обмотках. При этом частота вращения при неизменной нагрузке может незначительно изменяться. Нормальным считается изменение частоты до 5 Гц. Это происходит, так как преобразователь ищет оптимальное напряжение на обмотках электродвигателя.

Векторный метод может зафиксировать момент при низких частотах, в частности при меняющейся нагрузке. Диапазон регулировки векторного режима, как правило, шире, чем скалярного, но это актуально не для всех моделей частотников.

Преобразователь в этом режиме может работать только с одним электродвигателем, подключить несколько двигателей не получится.

Векторный режим обычно применяется при работе преобразователя частоты с двигателем подъемной машины, буровой установки или другой техники, если важно обеспечить высокий момент в области низких частот в момент запуска электродвигателя.

Подключение частотного преобразователя к электродвигателю

Крайне важно придерживаться правильного подключения преобразователя к электродвигателю.

Предварительно необходимо удостовериться в том, что модель преобразователя подходит проектной задаче и все характеристики частотного регулятора соответствуют параметрам двигателя.

Последовательность подключения преобразователя частоты к электродвигателю представляет из себя следующие этапы:

1. Установка автоматического выключателя перед частотником при подсоединении к сети питания
2. Подключение фазовых выходов преобразователя к контактам двигателя согласно одной из соответствующих схем:

Подключение электродвигателя звездой и треугольником – в чем разница?

Отличительными особенностями схем являются соединения концов обмоток генератора двигателя:

• «звезда»: концы обмоток соединены между собой;
• «треугольник»: конец обмотки одной из фаз соединяется с началом последующей.

Электродвигатели, подключенные к преобразователям частоты по схеме «звезда» работают плавно, но не имеют возможности развивать свою мощность на полную. Если оборудование соединено друг с другом по схеме «треугольник», двигатель будет работать на полной заявленной мощности. Недостаток такой схемы: большие значения пусковых токов.

Стоит при выборе способа подключения преобразователей частоты для асинхронных двигателей заострить внимание на определении мощности, создаваемой двигателем в различных режимах. Эксплуатация частотника с перегрузкой в течение длительного времени негативно скажется на работе оборудования. Поэтому его мощность должна быть с запасом, тогда работа будет безаварийной, а срок использования оборудования будет продлен.

Панель управления, входящая в комплектацию преобразователя частоты, устанавливается в удобном для работы месте. Далее ее следует подключить согласно схеме, приведенной в инструкции к приобретенному преобразователю частоты.

Примеры использования частотных преобразователей в различных отраслях

Частотные преобразователи активно применяются в различных сферах промышленности. Например, в горнодобывающей отрасли они используются для управления скоростью конвейерных лент, подъемных установок, что позволяет более точно регулировать процессы добычи полезных ископаемых. В области пищевой промышленности частотные преобразователи применяются для контроля скорости миксеров, приводов транспортеров, обеспечивая точное соблюдение технологических режимов производства. Воздушные компрессоры, дозирующее оборудование, насосные станции – везде, где требуется эффективное регулирование процессов, можно встретить эти устройства.

Преимущества

Применение частотных преобразователей в промышленности сопряжено с рядом преимуществ. В частности, возможность экономии энергии благодаря оптимизации работы электродвигателей, повышение надежности оборудования за счет снижения механических напряжений в системе, а также обеспечение более точного контроля за процессами производства. Однако, при установке, эксплуатации стоит учитывать вызовы, такие как электромагнитная совместимость, тепловые режимы и выбор правильной конфигурации для конкретного применения.

Перспективы развития и новые технологические решения

В сфере частотных преобразователей продолжается активное развитие. Основные тренды включают в себя увеличение компактности и энергоэффективности устройств, расширение возможностей программного обеспечения для более гибкого управления, а также интеграцию с системами Интернета (IoT) для мониторинга и диагностики. Технологии идут вперед, и частотные преобразователи становятся все более умными и адаптивными к потребностям современной промышленности.

Частотник для трехфазного электродвигателя представляет собой устройство, которое регулирует частоту, напряжение подаваемого электричества на электродвигатель. Оно позволяет изменять скорость вращения двигателя, обеспечивая точное управление.