Что такое частотный преобразователь

Частотный преобразователь (то же – преобразователь частоты), по сути, представляет собой источник питания промышленного оборудования с синусоидальным выходным напряжением (как правило – трехфазным), с регулируемой частотой и амплитудой. Подвод питающей энергии к преобразователю осуществляется от промышленной сети переменного тока или аккумуляторных установок. Регулирование частоты и амплитуды может осуществляться по различным законам, в зависимости от требований технологического оборудования.

Преобразователи частоты находят все более широкое применение в различных приложениях промышленности и транспорта. Благодаря развитию силовых полупроводниковых элементов, инверторы напряжения и инверторы тока с ШИМ управлением получают все более широкое распространение. Устройства, которые преобразуют постоянный сигнал в переменный, с желаемым напряжением и частотой, называются инверторами. Такое преобразование может быть осуществлено с помощью электронных ключей (BJT, MOSFET, IGBT, MCT, SIT, GTO) и тиристоров в зависимости от задачи.

На данный момент основная часть всей производимой электрической энергии в мире используется для работы электрических двигателей. Преобразование электрической мощности в механическую мощность осуществляется с помощью электродвигателей мощностью от меньше ватта до нескольких десятков мегаватт.

• Современные электроприводы должны отвечать различным требованиям таким как:максимальный КПД;
• широкий диапазон плавной установки скорости вращения, момента, ускорения, угла и линейного положения;
• быстрое удаление ошибок при изменении управляющих сигналов и/или помех;
• максимальное использование мощности двигателя во время сниженного напряжения или тока;
• надежность, интуитивное управление.

Виды частотных преобразователей

В соответствии с принципом работы ПЧ, по наиболее общей классификации принято различать два основных вида:

• электромашинные (индукционные);
• электронные (статические).

Индукционные строятся на основе электрической машины синхронного или асинхронного типа с обратным потоком энергии: машина приводится во вращение неким внешним двигателем. Изменение скорости вращения обеспечивает изменение частоты выходного напряжения. Преобразователи имеют сравнительно низкий КПД и недостаточную гибкость в управлении.

Основное применение находят электронные (статические) преобразователи частоты, использующие в качестве силовых переключателей полупроводниковые приборы – полууправляемые (тиристоры, симисторы) и полностью управляемые (транзисторы и тиристоры типа GTO). Статические ПЧ также подразделяются на два основных типа:

• с непосредственной связью с питающей сетью;
• с промежуточным звеном постоянного тока.

Силовая часть преобразователя представляет собой управляемый выпрямитель, элементная база – неуправляемые п/п приборы – тиристоры. Посредством системы управления преобразователя фазные обмотки статора двигателя поочередно подключаются к различным фазам напряжения сети таким образом, что напряжение на обмотке двигателя формируется из отрезков синусоидальных кривых, усредненное значение которых представляет собой первую гармоническую составляющую фазного напряжения двигателя.

Нужно отметить следующие достоинства таких устройств: минимум установленного оборудования и предельно высокую эффективность – по некоторым данным их КПД может достигать 98,5%. Кроме того, такое оборудование может работать с очень высокими напряжениями и токами и поэтому применяется в основном для высоковольтных приводов высокой мощности.

Основной существенный недостаток – неширокий диапазон регулирования частоты. Теоретически он не может превысить величины частоты питающей сети. В силу технических ограничений реально он составляет около 0…30 Гц.

По мере бурного развития силовых полностью управляемых п/п приборов – запираемых тиристоров типа GTO и интегральных транзисторных модулей типа IGBT, все более широкое применение получают ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока.

Здесь использовано двойное преобразование параметров электроэнергии: на первом этапе переменное напряжение питающей сети Uвх выпрямляется и фильтруется до получения постоянного напряжения Ud. Эта операция выполняется в звене постоянного тока. На втором этапе автономный инвертор (блок 3) превращает постоянное напряжение в серию импульсов переменной полярности Uи, которые после фильтра превращаются в синусоидальные напряжение и ток Uвых, iвых с регулируемой амплитудой и частотой fвых. Такая схема нашла очень широкое применение в современных частотно-регулируемых электроприводах.

Применение частотных преобразователей

В подавляющем большинстве, частотные преобразователи применяются в составе электроприводов для управления электродвигателями промышленных машин и механизмов широкого спектра мощностей. К наиболее часто встречающимся областям применения можно отнести:

вентиляционное и насосное оборудование;

• электроприводы обрабатывающих станков различных производств (металлообработки, деревообработки, бумагоделательные и т.д.);
• электроприводы металлургического производства;
• крановое и другое подъемно-транспортное оборудование (лифты, подъемники);
• производственные транспортные системы (конвейеры, транспортеры, т.п.);
• электроприводы промышленных манипуляторов и роботов;
• приводы электрического автомобильного транспорта и др.

Все виды оборудования имеют свои особенности функционирования. Для обеспечения максимальной эффективности, снижения аварийности и эксплуатационных затрат, увеличения ресурса, электропривод оборудования должен эти особенности учитывать и формировать законы движения соответствующим образом. Эти задачи выполняются наиболее гибким звеном привода – преобразователем частоты (ПЧ), управляющим движением основного силового элемента привода – электродвигателем переменного тока.

Могут применяться электродвигатели двух типов: синхронные и асинхронные. Наибольшее применение находят асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором, как наиболее дешевые и простые по конструкции, обладающие максимальным ресурсом и ремонтопригодностью.

Критерии выбора частоты

На практике частота ШИМ может задаваться пользователем, как правило, в пределах от 1 до 15 килогерц. Для того чтобы получить напряжение по форме более-менее близкой к синусоидальной, частота ШИМ должна быть в 20-30 раз больше максимальной выходной частоты, которую вы хотите получить.

Вы можете выбрать частоту ШИМ произвольно под свою конкретную задачу. Есть несколько параметров, которые определяют выбор.

• Длина кабеля до двигателя. Чем длиннее кабель, тем меньшую частоту ШИМ можно задать. Например если у вас длина кабеля 100 метров и больше, то частоту ШИМ больше 2,3 килогерц нет смысла ставить, иначе на этой длине будут большие потери и напрасный расход мощности.
• Акустический шум двигателя. При питании двигателя от преобразователя частоты слышится посторонний шум. Он зависит именно от частоты ШИМ, которую вы задали. Чем она выше, тем выше тон звука. Если задана чистота более 8,10 килогерц, шума практически не слышно. На более низких частотах (1,3,5 килогерц) этот шум значителен и вызывает дискомфорт.
• Максимальная выходная частота. Большинство двигателей используют максимальную выходную частоту инвертора 50 гц, поэтому здесь частота ШИМ должна быть не менее чем в 20 раз выше. Здесь можно задавать частоту 1, 2, 3, 5 килогерц из всего диапазона.
  Если вы используете высокоскоростной двигатель, например 400-герцевый, то здесь уже частоту ШИМ 1,3,5 килогерц ставить не стоит: на выходе будет не синусоида. Для таких скоростных двигателей частота ШИМ выбирается максимально возможной для данного инвертора, скажем, 15 килогерц.
• Тепловыделение инверторной части преобразователя. Оно связано с тем, что IGBT-транзисторы, которые формируют выходное напряжение, не идеальны, подвержены разогреву в процессе работы. Для того чтобы эффективно отводить тепло, надо применять соответствующие радиаторы, вентиляторы охлаждения. Чем больше тепловыделение в этой инверторной части, тем более мощные приборы для охлаждения надо использовать.

Потери энергии в частотном преобразователе и способы их снижения

Рассмотрим вопрос тепловыделения в инверторной части преобразователя. Чем определяются потери транзистора?

Возьмем условный IGBT-транзистор, который включен в цепь с напряжением 500 вольт, ограничивающий резистор.

Закрытое состояние: на затворе напряжения нет, напряжение на коллекторе равно сетевому напряжению, ток отсутствует, утечки мизерные, тепловыделения никакого нет. Открываем транзистор с помощью напряжения 10 вольт на затворе, это стандартное напряжение практически для всех транзисторных модулей. Транзистор переключается в открытое состояние не мгновенно, у каждого транзистора есть параметр, который называется время включения или время выключения. Типичное значение для самых распространенных транзисторов — 0,2 микросекунды. Время небольшое, но за это время на кристалле транзистора присутствует как напряжение, которое быстро спадает, так и нарастающее значение тока, которое тоже нарастает не мгновенно. В этот момент происходят потери. И чем выше частота ШИМ, про которую мы раньше говорили, чем чаще включается и выключается транзистор, тем больше идет тепловыделения за счет потерь переключений.

Когда транзистор открылся, установился статический режим на какое-то небольшое время, тепловыделение продолжается: оно происходит за счет того, что в момент состояния открытия, напряжение на транзисторе тоже не равно нулю, он определяется потерями на кристалле в открытом состоянии. Типичное его значение 1,5 вольта. Оно может незначительно варьироваться в зависимости от технологии изготовления транзистора и пр.

В этот момент тепловыделение тоже существует, но с потерями в открытом состоянии мы ничего не можем сделать, максимум — применить транзисторы с меньшим напряжением в открытом состоянии. С потерями при переключении мы можем бороться путем уменьшения частоты ШИМ. Это бывает полезно, если преобразователь находится в закрытом шкафу, где он греется больше. Понизив частоту ШИМ, мы можем снизить потери на преобразователе и снизить его температуру.

Общие потери преобразователя частоты в виде тепла составляют около 3%.

Потери на выпрямителе происходят через открытые диоды. Падение напряжения на открытом диоде, а также протекающий через него выпрямленный ток приводят к его нагреву. Звено постоянного тока, состоящее из электролитических конденсаторов большой емкости, тоже нагревается, потому что постоянно происходит процесс заряда и разряда. Также к потерям можно отнести собственные нужды преобразователя частоты: работу вентиляторов охлаждения, электронной схемы, вторичного источника питания и так далее.

Особенности векторного управления частотным преобразованием 

Отличием этого способа является взаимодействие, влияние устройства управления преобразователя на «пространственный вектор» магнитного потока, вращающийся с частотой поля ротора. 

Алгоритмы для работы преобразователей по этому принципу создаются двумя способами:

• Бессенсорного управления
• Потокорегулирования.

Первый метод основан на назначении определенной зависимости чередования последовательностей широтно-импульсной модуляции (ШИМ) инвертора для заранее подготовленных алгоритмов. При этом амплитуда и частота напряжения на выходе преобразователя регулируются по скольжению и нагрузочному току, но без использования обратных связей по скорости вращения ротора.

Этим способом пользуются при управлении несколькими электродвигателями, подключенными параллельно к преобразователю частоты. Потокорегулирование подразумевает контроль рабочих токов внутри двигателя с разложением их на активную и реактивную составляющие и внесение корректив в работу преобразователя для выставления амплитуды, частоты и угла для векторов выходного напряжения. 

Это позволяет повысить точность работы двигателя и увеличить границы его регулирования. Применение потокорегулирования расширяет возможности приводов, работающих на малых оборотах с большими динамическими нагрузками, такими как подъемные крановые устройства или намоточные промышленные станки. 

Использование векторной технологии позволяет применять динамическую регулировку вращающихся моментов к трехфазным асинхронным двигателям.

Схема замещения 

Принципиальную упрощенную электрическую схему асинхронного двигателя можно представить следующим видом.

На обмотки статора, обладающие активным R1 и индуктивным X1 сопротивлениями, приложено напряжение u1. Оно, преодолевая сопротивление воздушного зазора Хв, трансформируется в обмотку ротора, вызывая в ней ток, который преодолевает ее сопротивление.

Векторная диаграмма схемы замещения 

Ее построение помогает понять происходящие процессы внутри асинхронного двигателя.

Энергия тока статора разделяется на две части

• iµ — потокообразующую долю; 
• iw — моментообразующую составляющую. 

При этом ротор обладает активным сопротивлением R2/s, зависящим от скольжения. 

Для бессенсорного управления измеряются:

• напряжение u1
• ток i1.

По их значениям рассчитывают:

• iµ — потокообразующую составляющую тока; 
• iw — моментообразующую величину. 

В алгоритм расчета уже заложили электронную эквивалентную схему асинхронного двигателя с регуляторами тока, в которой учтены условия насыщения электромагнитного поля и потерь магнитной энергии в стали. 

Обе этих составляющих векторов тока, отличающиеся по углу и амплитуде, вращаются совместно с системой координат ротора и пересчитываются в стационарную систему ориентации по статору. 

По этому принципу подстраиваются параметры частотного преобразователя под нагрузку асинхронного двигателя.

Топология силовой части электрических преобразователей

Корни силовой электроники уходят к 1901 году, когда П.К. Хьюитт изобрел ртутный вентиль. Однако современная эра полупроводниковой силовой электроники началась с коммерческого представления управляемого кремниевого выпрямителя (тиристора) компанией General Electric в 1958 году. Затем развитие продолжалось в области новых полупроводниковых структур, материалов и в производстве, давая рынку много новых устройств с более высокой мощностью и улучшенными характеристиками.

Сегодня силовая электроника строится на металл-оксид-полупроводниковых полевых транзисторах (MOSFET - metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) и биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT - Insulated-gate bipolar transistors), а для диапазона очень высоких мощностей - на тиристорах с интегрированным управлением (IGCT – Integrated gate-commutated thyristor). Также сейчас доступны интегрированные силовые модули. Новая эра высоковольтных, высокочастотных и высокотемпературных технологий открывается многообещающими полупроводниковыми устройствами, основанными на широкой запрещенной зоне карбида кремния (SiC). Новые силовые полупроводниковые устройства всегда инициируют развитие новых топологий преобразователей 

Инвертор напряжения

Двухуровневый инвертор напряжения

Двухуровневый инвертор напряжения (two-level voltage-source inverter) – наиболее широко применяемая топология преобразователя энергии. Он состоит из конденсатора и двух силовых полупроводниковых ключей на фазу. Управляющий сигнал для верхнего и нижнего силовых ключей связан и генерирует только два возможных состояния выходного напряжения (нагрузка соединяется с положительной или отрицательной шиной источника постоянного напряжения).

Схема двухуровневого инвертора напряжения

Фазное напряжение двухуровневого инвертора напряжения

Используя методы модуляции для генерирования управляющих импульсов возможно синтезировать выходное напряжение с желаемыми параметрами (формой, частотой, амплитудой). Из-за содержания высоких гармоник в выходном сигнале для генерирования синусоидальных токов выходной сигнал необходимо фильтровать, но так как данные преобразователи обычно имеют индуктивную нагрузку (электродвигатели) дополнительные фильтры используются только при необходимости.

Максимальное выходное напряжение определяется значением постоянного напряжения звена постоянного тока. Для эффективного управления мощной нагрузкой требуется высокое постоянное напряжение звена постоянного тока, но на практике это напряжение ограничено максимальным рабочим напряжением полупроводников. Для примера низковольтные IGBT транзисторы обеспечивают выходное напряжение до 690 В. Для того чтобы обойти данное ограничение по напряжению в последние десятилетия были разработаны схемы многоуровневых преобразователей. Данные преобразователи сложнее, чем двухуровневые в плане топологии, модуляции и управления, но при этом имеют лучшие показатели по мощности, надежности, габаритам, производительности и эффективности.

Трехуровневый преобразователь с фиксированной нейтральной точкой

В трехуровневом преобразователе с фиксированной нейтральной точкой (three-level neutral point clamped converter) постоянное напряжение делится поровну посредством двух конденсаторов, поэтому фаза может быть подключена к линии положительного напряжения (посредством включения двух верхних ключей), к средней точке (посредством включения двух центральных ключей) или к линии отрицательного напряжения (посредством включения двух нижних ключей). Каждому ключу в данном случае требуется блокировать только половину напряжения звена постоянного тока, тем самым позволяя увеличить мощность устройства, используя те же самые полупроводниковые ключи, как и в обычном двухуровневом преобразователе. В данном преобразователе обычно используются высоковольтные IGBT транзисторы и IGCT тиристоры.

Схема трехуровневого преобразователя с фиксированной нейтральной точкой

• Недостатками данных преобразователей являются:Дисбаланс конденсаторов, создающий асимметрию в преобразователе. Данную проблему предлагается решать путем изменения метода модуляции.
• Неравное распределение потерь из-за того, что потери на переключение внешних и центральных ключей отличаются в зависимости от режима работы. Данная проблема не может быть решена с использованием обычной схемы, поэтому была предложена измененная топология – активный преобразователь со связанной нейтральной точкой (active NPC). В этой схеме диоды заменены управляемыми ключами. Таким образом, выбирая соответствующую комбинацию ключей, возможно уменьшить и равномерно распределить потери.

Фазное напряжение трехуровневого преобразователя с фиксированной нейтральной точкой

Преобразователь с фиксированной нейтральной точкой может масштабироваться для достижения больше чем трех уровней выходного сигнала путем деления напряжения звена постоянного тока более чем на два значения посредством конденсаторов. Каждое из этих деленных напряжений может быть подключено к нагрузке с использованием расширенного набора ключей и ограничительных диодов. Вместе с увеличением мощности преимуществами многоуровневого преобразователя является лучшее качество электроэнергии, меньшее значение скорости нарастания напряжения (dv/dt) и связанных электромагнитных помех. Однако, когда преобразователь со связанной нейтральной точкой имеет более трех уровней, появляются другие проблемы. С точки зрения схемотехники в таком случае ограничительные диоды требуют более высокое максимальное рабочее напряжение чем основные ключи, что требует использования различных технологий или нескольких ограничительных диодов соединенных последовательно. В дополнение становится критическим неравномерное использование силовых элементов в схеме. В итоге из-за увеличения количества элементов снижается надежность. Приведенные недостатки ограничивают использование преобразователей с фиксированной нейтральной точкой с более чем тремя уровнями в промышленных приложениях.

Многоуровневые преобразователи

Каскадные преобразователи основанные на модульных силовых ячейках со схемой H-мост (cascaded H-bridge - CHB) и преобразователи с плавающими конденсаторами (flying capacitor converter) были предложены для обеспечения большего количества уровней выходного напряжения в сравнении с преобразователями с фиксированной нейтральной точкой.

Каскадный Н-мостовой преобразователь

Каскадный преобразователь - высоко модульный преобразователь, состоящий из нескольких однофазных инверторов, обычно называемыми силовыми ячейками, соединенными последовательно для формирования фазы. Каждая силовая ячейка выполнена на стандартных низковольтных компонентах, что обеспечивает их легкую и дешевую замену в случае выхода из строя.

Схема каскадного преобразователя

Основным преимуществом данного преобразователя является использование только низковольтных компонентов, при этом он дает возможность управлять мощной нагрузкой среднего диапазона напряжения. Несмотря на то что частота коммутации в каждой ячейке низкая, эквивалентная частота коммутации приложенная к нагрузке – высокая, что уменьшает потери на переключение ключей, дает низкую скорость нарастания напряжения (dv/dt) и помогает избежать резонансов.

 Фазное напряжение каскадного преобразователя

Преобразователь с плавающими конденсаторами

Выходное напряжение преобразователя с плавающими конденсаторами получается путем прямого соединения выхода фазы с положительной, отрицательной шиной или подключением через конденсаторы. Количество уровней выходных напряжений зависит от количества навесных конденсаторов и отношения между различными напряжениями.


Схема преобразователя с плавающими конденсаторами

Этот преобразователь, как и в случае каскадного преобразователя, также имеет модульную топологию, где каждая ячейка состоит из конденсатора и двух связанных ключей. Однако, в отличие от каскадного преобразователя добавление дополнительных силовых ключей к конденсаторному преобразователю не увеличивает номинальную мощность преобразователя, а только уменьшает скорость нарастания напряжения (dv/dt), улучшая коэффициент гармоник выходного сигнала. Как и у каскадного преобразователя, модульность уменьшает стоимость замены элементов, облегчает поддержку и позволяет реализовать отказоустойчивую работу.


Фазное напряжение преобразователя с плавающими конденсаторами

Конденсаторный преобразователь требует только один источник постоянного тока для питания всех ячеек и фаз. Поэтому, можно обойтись без входного трансформатора, а количество ячеек может быть произвольно увеличено в зависимости от требуемой выходной мощности. Подобно преобразователю с фиксированной нейтральной точкой, этому преобразователю требуется специальный алгоритм управления для регулирования напряжения на конденсаторах.

Инвертор тока

Для работы инвертору тока всегда требуется управляемый выпрямитель, чтобы обеспечить постоянный ток в звене постоянного тока. В стандартной топологии обычно используются тиристорные выпрямители. Чтобы уменьшить помехи в нагрузке, в звене постоянного тока используется расщепленная индуктивность. Инвертор тока имеет схему силовых ключей наподобие инвертора напряжения, но в качестве силовых ключей используются тиристоры с интегрированным управлением (IGCT).

Выходной ток имеет форму ШИМ и не может быть напрямую приложен к индуктивной нагрузке (электродвигателю), поэтому инвертор тока обязательно включает выходной емкостной фильтр, который сглаживает ток и выдает гладкое напряжение на нагрузку. Этот преобразователь может быть реализован для работы на средних напряжениях и более того он по природе имеет возможность рекуперации энергии.

Схема инвертора тока с выпрямителем

Прямые преобразователи

Прямые преобразователи передают энергию прямо от входа к выходу без использования элементов накопления энергии. Основным преимуществом таких преобразователей является меньшие габариты. Недостатком – необходимость более сложной схемы управления.

Циклоконвертер относится к категории прямых преобразователей. Данный преобразователь широко использовался в приложениях требующих высокую мощность. Этот конвертер состоит из двойных тиристорных преобразователей на фазу, который может генерировать изменяемое постоянное напряжение, контролируемое таким образом, чтобы следовать опорному синусоидальному сигналу. Вход каждого преобразователя питается от фозосмещающего трансформатора, где устраняются гармоники входного тока низкого порядка. Выходное напряжение является результатом комбинации сегментов входного напряжения в котором основная гармоника следует за опорным сигналом. По своей природе данный преобразователь хорошо подходит для управления низкочастотными мощными нагрузками.

Схема циклоконвертера

Матричный преобразователь в его прямой и непрямой версии также принадлежит к категории прямых преобразователей. Основной принцип работы прямого матричного преобразователя (direct matrix converter) - возможность соединения выходной фазы к любому из входных напряжений. Преобразователь состоит из девяти двунаправленных ключей, которые могут соединить любую входную фазу с любой выходной фазой, позволяя току течь в обоих направлениях. Для улучшения входного тока требуется индуктивно-емкостной фильтр второго порядка.

 Выход напрямую соединяется с индуктивной нагрузкой. Не все доступные комбинации ключей возможны, они ограничены только 27 правильными состояниями коммутации. Как говорилось ранее, основное преимущество матричных преобразователей - меньшие габариты, что важно для автомобильных и авиационных приложений.

Схема прямого матричного преобразователя

Непрямой матричный преобразователь (indirect matrix converter) состоит из двунаправленного трехфазного выпрямителя, виртуального звена постоянного тока и трехфазного инвертора. Количество силовых полупроводников такое же как у прямых матричных преобразователей (если двунаправленный ключ рассматривается как два однонаправленных ключа), но количество возможных состояний включения отличается. Используя ту же самую конфигурацию непрямого матричного преобразователя, возможно упростить его топологию и уменьшить количество элементов ограничив его работу от положительного напряжения в виртуальном звене постоянного тока. Уменьшенная топология называется разреженный матричный преобразователь (sparse matrix converter).