Дейв Полка
Що таке привід змінної частоти (ППЧ)? Як працює ППЧ?
Звернемося до прикладу застосування електроприводу. На рис. 1 наведено приклад простого застосування пускача для вентилятора з постійною швидкістю обертання. Ви могли б замінити 3-фазний пускач приводом змінної частоти (ППЧ) для регулювання швидкості обертання вентилятора. Так як регулювання швидкості може здійснюватися нижче максимальної, зміна витрати повітря можна здійснювати шляхом зміни швидкості обертання приводного двигуна, замість застосування засувки.
Малюнок 1 - Застосування пускача для вентилятора з постійною швидкістю обертів
Привід дозволяє управляти двома основними параметрами трифазного асинхронного двигуна: швидкістю і обертовим моментом. Щоб зрозуміти, як привід управляє цими елементами, звернемося до пристрою трифазного асинхронного двигуна. На рис. 2 наведено пристрій даного двигуна.
Дві основні частини двигуна, ротор і статор, взаємодіють за допомогою магнітного поля. Також двигун має кілька пар полюсів. Вони являють собою залізні частини статора, які розташовані таким чином, щоб забезпечити напрямок магнітного потоку від північного полюса до південного.
Малюнок 2 - Пристрій трифазного асинхронного двигуна
Малюнок 3 - Принцип дії асинхронного двигуна
Якщо статор має одну пару полюсів, ротор (вал) обертається з певною швидкістю - основний швидкістю. Ця швидкість визначається числом пар полюсів і частотою напруги, підведеної до двигуна (1). Ця формула включає ефект, званий «ковзанням». Ковзання - це різниця між швидкістю обертання магнітного поля статора і швидкістю обертання ротора. При проходженні магнітного поля статора через провідники ротора, в них індукуються власні магнітні поля. Ці магнітні поля ротора намагатимуться «наздогнати» обертове магнітне поле статора. Однак цього ніколи не станеться - ця різниця і є ковзанням. Ковзання можна порівняти з відстанню між хортами і зайцем, за яким вони женуться. Поки хорти не спіймають зайця, вони продовжать тікати навколо треку. Ковзання - це те, що дозволяє двигуну обертатися.
Вираз для визначення швидкості обертання ротора представлено нижче.
де n - частота обертання ротора (вала), об / хв;
f1 - частота напруги, підведеної до ротора, Гц;
2р - число полюсів;
s - ковзання. Для двигунів типу NEMA B ковзання становить 3-5% від основної швидкості, яка становить 1800 об / хв.
Приклад. Визначимо швидкість обертання ротора при f1 = 60 Гц, 2р = 4 і s = 3%:
Регулювати швидкість обертання двигуна можна, змінюючи частоту напруги живлення. Також можна регулювати швидкість двигуна, змінюючи число полюсів, але це вимагає зміни конструкції двигуна. Зміна числа полюсів вимагає перемотування обмоток статора і призводить до ступінчастого зміни швидкості. Тому для забезпечення зручності, економічної ефективності та точності, ми змінюємо частоту.
На рис. 5 наведено зміна розвивається крутного моменту в залежності від ставлення напруги до частоти, В / Гц. Ми змінюємо це відношення, щоб змінити крутний момент двигуна. Так, двигун, живиться від джерела 460 В, 60 Гц має відношення напруги до частоти 7,67 В / Гц. Поки відношення напруги до частоти залишається рівним зазначеному числу, двигун розвине оцінений крутний момент. Привід дозволяє отримати різні значення частоти на виході. Використовуючи будь-яку частоту приводу, можна отримати нові криві моменту.
Малюнок 5 - Відношення напруги до частоти
Як привід змінює швидкість двигуна.
Як же привід забезпечує необхідні значення напруги і частоти на виході, щоб забезпечити зміну швидкості двигуна? Це ми розглянемо пізніше.
На рис. 6 наведені основні складові приводу PWM. Всі приводи PWM містять ці основні частини, з деякими відмінностями в компонентах програмного забезпечення та апаратних засобах.
Малюнок 6 - Основні компоненти приводу PWM
Хоча деякі приводу харчуються однофазною напругою, ми розглянемо трифазні приводу. Але для простоти на графіках, які супроводжують схеми приводу, приведена одна фаза вхідного або вихідного напруги.
Вхідна частина приводу - випрямляч. Він містить шість діодів, з'єднаних в бруківку схему. Ці діоди перетворюють змінну напругу в постійне.
Наступна секція - шина постійного струму, пропускає фіксований напруга постійного струму.
Шина постійного струму фільтрує і згладжує форму хвилі. Діоди фактично переносять негативні напівхвилі на позитивну половину. При напрузі змінного струму в 460В, середня напруга постійного струму складе близько 650-680 В. Ви можете порахувати, що відношення величини напруги постійного струму до максимального значення змінної напруги складе 1,414. Котушка індуктивності (L) і конденсатор (C) призначені для того, щоб відфільтрувати змінні складові напруги постійного струму.
Шина постійного струму живить заключну секцію приводу - інвертор. Як зазначено в назві, ця секція інвертує напругу постійного струму назад в напругу змінного струму. Як же це відбувається? Це залежить від того, які силові перетворювальні пристрої використовуються в приводі. Якщо Ви маєте привід на основі SRC (силових одноопераційних тиристорів), дивіться посилання нижче. В середині 70-х тиристори почали замінювати біполярними транзисторами. А ті, в свою чергу, на початку 90-х поступилися технології з використанням біполярних транзисторів з ізольованим затвором (IGBT), яку ми будемо обговорювати.
Підключення шини з використанням IGBT.
В даний час в інверторах використовуються біполярні транзистори з ізольованим затвором, щоб підключати шину постійного струму в певні проміжки часу. При цьому інвертор фактично створює змінну напругу і частоту на виході. Як показано на рис. 7, вихідні параметри приводу не є точною копією вхідного синусоїдального напруги. Замість цього є імпульси постійної напруги.
Малюнок 7 - Форма напруги на виході приводу
Пульт управління приводу подає сигнали в ланцюг управління силовими перетворювачами на включення позитивної або про тріцательной частини перетворювачів. Це почергове включення відтворює на виході трифазну напругу. Чим довше перетворювач залишається включеним, тим вище вихідна напруга. Чим менше часу перетворювач включений, тим нижче вихідна напруга (рис. 8). І навпаки, чим довше перетворювач вимкнений, тим нижче частота на виході.
Малюнок 8 - Складові вихідний хвилі напруги приводу
Швидкість, з якою силові перетворювачі включають і вимикають несучу частоту, називається частотою включень. Чим вище частота включень, тим більшу роздільну здатність має кожен імпульс. Типові частоти включень - від 3 000 до 4 000 раз в секунду або від 3 до 4 кГц. На старих приводах, заснованих на SRC, частота включень становить 250-500 раз в секунду. Як Ви розумієте, чим вище частота включень, тим більше гладка форма хвилі на виході. Однак високі частоти включень зменшують ефективність приводу через збільшену температури в силових перетворювачах.
Скорочення вартості і розміру
Приводу змінюються, в залежності від їх конструкції, а конструкції продовжують поліпшуватися. Двигуни входять в більш менші корпусу з кожним поколінням. Подібну тенденцію мають персональні комп'ютери. Більше особливостей, поліпшені робочі характеристики і більш низька вартість, в порівнянні з попередніми поколіннями. Однак, на відміну від комп'ютерів, у приводів різко покращилися показники надійності і спростилося використання. І також на відміну від комп'ютерів, типовий привід сьогодні не виробляє сплесків енергії у вашій розподільної мережі, тобто при цьому не зачіпається енергетичний фактор. Приводу все більш і більш стають пристроєм типу "встановити і запустити". Оскільки силові перетворювачі стають більш надійними і зменшуються в розмірі, вартість і розмір ППЧ продовжують зменшуватися. І поки це триває, їх робота буде поліпшуватися, а використання - ставати все більш простим.
Так як багато приводів засноване на SRC, Ви напевно хотіли б знати, як вони працюють. SRC (тиристор) містить елемент контролю, який називається затвор. Затвор діє як вимикач, який дозволяє пристрою повністю проводити напруга. Пристрій проводить напруга до зміни полярності, і потім це автоматично "вимикає" тиристор. Спеціальна схема, яка потребує окрему плату і супутні сполуки, управляє цим перемиканням.
Вихідні параметри SRC залежать від того, як швидко відкривається затвор в контрольному циклі. Вихідні параметри IGBT також залежать від відрізка часу, протягом якого затвор відкритий. Однак, його можна відключити в будь-який момент контрольного циклу, забезпечивши більш гладку форму хвилі вихідного сигналу. IGBTs також вимагають схему контролю відкриття затвора, але ця схема менш складна і не вимагає инвертирования полярності. Таким чином, Ви наблизилися б до пошуку несправностей по-іншому, якщо Ви маєте привід, заснований на SRC.