Функциональная схема асинхронного двигателя

Частотный преобразователь (электропривод)

Содержание

1 Назначение
2 Устройство и принцип действия
3 См. также
4 Литература
5 Примечания

Назначение [ править | править код ]

Частотный асинхронный преобразователь частоты служит для преобразования сетевого трёхфазного или однофазного переменного тока частотой 50 (60) Гц в трёхфазный или однофазный ток, частотой от 1 Гц до 800 Гц.

Промышленностью выпускаются частотные преобразователи электроиндукционного типа, представляющего собой по конструкции асинхронный двигатель с фазным ротором, работающий в режиме генератора-преобразователя, и преобразователи электронного типа.

Частотные преобразователи электронного типа часто применяют для плавного регулирования скорости асинхронного электродвигателя или синхронного двигателя за счет создания на выходе преобразователя электрического напряжения заданной частоты. В простейших случаях регулирование частоты и напряжения происходит в соответствии с заданной характеристикой V/f, в наиболее совершенных преобразователях реализовано так называемое векторное управление.

Частотный преобразователь электронного типа — это устройство, состоящее из выпрямителя (моста постоянного тока), преобразующего переменный ток промышленной частоты в постоянный, и инвертора (преобразователя) (иногда с ШИМ), преобразующего постоянный ток в переменный требуемой частоты и амплитуды. Выходные тиристоры (GTO) или транзисторы (IGBT) обеспечивают необходимый ток для питания электродвигателя.

Для улучшения формы выходного напряжения между преобразователем и двигателем иногда ставят дроссель, а для уменьшения электромагнитных помех — EMC-фильтр.

Устройство и принцип действия [ править | править код ]

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:

С непосредственной связью.
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 50 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 промежуточным 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. Непременное наличие силовых электролитических конденсаторов ставит непреодолимое ограничение на расчётный срок службы преобразователя: при полной нагрузке это обычно порядка 3000 часов.

Для формирования синусоидального переменного напряжения используют автономный инвертор, который формирует электрическое напряжение заданной 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.

Главным достоинством тиристорных преобразователей частоты, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия. Они имеют более высокий КПД (до 88 %) по отношению к преобразователям на IGBT-транзисторах [ источник не указан 943 дня ] .

Преобразователи частоты являются нелинейной нагрузкой, создающей токи высших гармоник в питающей сети, что приводит к ухудшению качества электроэнергии.

Функциональная схема асинхронного двигателя

Преобразователь частоты схема.

Что такое преобразователь частоты?

Преобразователь частоты или частотный преобразователь служит для плавного изменения скорости асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором за счёт формирования в обмотках статора напряжений и токов частотой отличной от частоты источника питания, т.е. преобразует неизменное трех- или однофазное напряжение питания с частотой 50Гц в изменяемое напряжение с изменяемой частотой (0,1 — 400Гц). Связь частоты вращения ротора двигателя с частотой напряжения питания обмотки статора определяется по общеизвестной формуле n = , где p – число пар полюсов статора, n — частота вращения магнитного поля статора. Изменяя с помощью преобразователя частоту на входе двигателя, мы регулируем частоту вращения ротора.
Схема любого преобразователя частоты представлена силовой частью и системой управления:

выпрямитель или звено постоянного тока (1 и 2) — преобразует переменное, в данном случае трехфазное напряжение (Uвх.) в постоянное (Uвыпр.),
инвертор (3) — с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) преобразует выпрямленное напряжение (Uвыпр.) в импульсное (Uи). ШИМ — это импульсный способ задания аналогового сигнала, где сигнал представляется в виде импульсов. Управляя IGBT транзисторами, их включением и выключением, получим импульсное напряжение положительной и отрицательной полярности. Если изменять их скважность (отношение длительности периода к длительности импульса), то можно изменять площадь импульсов, а значит и среднее значение напряжения на выходе. Таким образом получаем псевдосинусоидальную форму выходного напряжения Uи,
фильтр (4) – сглаживает высшие гармоники, используется редко, поскольку частота выходных импульсов ШИМ достигает нескольких кГц, и обмотки двигателя вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр.

В результате, на выходе схемы преобразователя частоты формируется переменное напряжение, с изменяемой амплитудой и частотой (Uвых = var, fвых = var).

Читать еще: Чем заменить трубки в двигателе

Как правильно выбрать преобразователь частоты.

Сегодня преобразователи частоты производят многие как российские, так и зарубежные компании. Принцип работы большинства преобразователей один и тот же. При этом потребителю, т.е. Вам, приходится разобраться во всем этом многообразии и сделать свой выбор, от которого в итоге будет зависеть эффективность работы всего привода.
В большинстве случаев частотный преобразователь выбирают по мощности подключаемого к нему двигателя. Однако по Российским и международным стандартам указываемая на двигателях мощность относится не к потребляемой от источника питания мощности, а к мощности двигателя на валу. Поэтому для более правильного подбора инвертора нужно учитывать его электротехнические характеристики (номинальный ток, диапазон скоростей, диапазон моментов, характер нагрузки и др.). Подробнее >>>>>>.
Кроме этого многие производители рекомендуют учитывать следующие факторы:

Этот список можно перечислять до бесконечности.
Современный преобразователь частоты – достаточно функциональное устройство и при грамотном использовании позволяет избежать многих ненужных проблем, как на стадии проектирования, так и в последствии – при работе. Внимательно изучайте предлагаемые Вам устройства, обязательно пользуйтесь консультациями технических специалистов. Многочисленные встроенные функции инвертора, в том числе и защитные, как раз и позволяют обеспечить высокую отказоустойчивость привода в целом.

Удобство эксплуатации. Многие специалисты на этот фактор редко обращают свое внимание, считая, что и так всё будет хорошо работать. Действительно, при соединении с двигателем, практически любой преобразователь сразу готов к работе. Однако, профилактику и техобслуживание никто не отменял. Тогда возникает вопрос: что и когда нужно заменить, чтобы обеспечить бесперебойную работу преобразователей? Для этих целей большинство современных инверторов используют функцию самодиагностики, которая контролирует все компоненты подлежащие старению и износу (конденсаторы, внутренние вентиляторы и др.) и заблаговременно сообщит о необходимости замены. Тем самым привод избежит простоев, а расходы на эксплуатацию значительно сократятся.

Цена. Большинство преобразователей, особенно импортного производства, находятся в примерно одном ценовом диапазоне. Незначительное отличие в цене определяется количеством встроенных сервисных и других дополнительных функций, наличие которых, возможно избавит Вас от головной боли на очень долгое время. Совет один – обратите внимание на ведущих производителей в этой области, они дорожат своей репутацией и серьезно подходят к своим разработкам и производству.

Более подробную техническую информацию можно найти в каталогах:

По преобразователям частоты можно проконсультироваться по тел.:

8 (812) 938-28-81,

или задать вопрос нашим специалистам по эл. почте:

Статьи

Тематика: Полезная информация

Преобразователь частоты для электродвигателя

Введение
Принцип частотного регулирования
Устройство преобразователя частоты
Применение частотных преобразователей

Введение

Существует немало технологических операций, нуждающихся в регулировании угловых скоростей приводных валов механизмов. Традиционно эта задача решалась двумя путями:

применением механических многоскоростных редукторов для ступенчатого регулирования скорости, либо вариаторов для плавного регулирования;
использованием электродвигателей постоянного тока совместно с регуляторами уровня питающего напряжения.

Регулирование угловой скорости ротора, основанное на изменении передаточного числа механической трансмиссии, характеризуется снижением общего КПД передачи. Это объясняется высоким уровнем механических потерь в редукторе, подверженном к тому же, интенсивному износу.

Двигатели постоянного тока представляют собой достаточно сложные и дорогие машины. Наличие коллекторного механизма со щёточным аппаратом, предъявляет повышенные требования к их обслуживанию и снижает надёжность.

Компания Овердрайв-Электро предлагает частотно-регулируемые приводы ABB со склада в Минске:

Принцип частотного регулирования

В основе частотного регулирования двигателя переменного тока лежит взаимосвязь угловой скорости, с которой вращается поле статора с частотой напряжения питания. Это означает, что изменение частотной характеристики напряжения статора приводит к пропорциональному изменению угловой скорости вращающегося ротора. Угловая скорость, или частота вращающегося поля статора асинхронного электрического двигателя выражается следующим соотношением:

где f₁ — значение частоты напряжения, питающего обмотку статора, р — количество полюсных пар статорной обмотки.

Из приведенной формулы следует, что совершая изменение значения частоты подводимого к двигателю напряжения, можно плавно изменять значение угловой скорости (частоты) вращающегося поля статора, что приведёт к изменению частоты вращения ротора электродвигателя.

Данный принцип позволяет использовать в регулируемых приводах наиболее технологичные, простые и надёжные асинхронные двигатели, имеющие короткозамкнутый ротор. Благодаря высоким технико-экономическим показателям систем частотного регулирования происходит их активное внедрение в сферу промышленной и бытовой техники.

Устройство преобразователя частоты.

На рисунке 1 показана структурная схема, иллюстрирующая устройство преобразователя частоты (ПЧ).

Рис.1 Преобразователь частоты

Сетевое питающее напряжение промышленной частоты 50 герц поступает на вход выпрямителя (В), представляющего собой обычную мостовую диодную сборку. На выходе выпрямителя установлен Г — образный LC фильтр, выполняющий функции сглаживания пульсаций, которые присутствуют в выпрямленном напряжении.

Основной частью преобразователя является инвертор (И), осуществляющий преобразование постоянного напряжения в трёхфазную систему напряжений синусоидальной формы с регулируемой частотой и амплитудой. Ключевыми элементами инвертора служат мощные IGBT транзисторы, которые коммутируются сигналами, генерируемыми в системе импульсно — фазового управления. Система управления транзисторами, формирующими выходное напряжение, которое поступает на статор асинхронного двигателя (АД), основана на принципе ШИМ — широтно-импульсной модуляции. Сигнал управления представляет собой чередование импульсов напряжения с изменяемой скважностью.

Читать еще: Чем регулируется скорость асинхронного двигателя

Примечание. Скважность — это оценочная характеристика периодического импульсного сигнала, рассчитываемая как отношение периода чередования сигнала к длительности импульса. То есть, величина скважности показывает, какую часть периода занимают импульсы. При изменении скважности изменяется соотношение длительностей импульсов и промежутков между ними.

Следует обратить внимание на одну интересную особенность частотных преобразователей. На рисунке 1 показан преобразователь, подключенный к трёхфазной сети. Существуют модели преобразователей, питающихся от однофазной сети, при этом, на выходе инвертора формируется всё та же трёхфазная система. Разница между трёхфазными и однофазными частотными преобразователями заключается только в качестве напряжения на выходе выпрямителя. Трёхфазный выпрямительный мост создаёт меньший уровень пульсаций напряжения, по этой причине, однофазное выпрямление предъявляет повышенные требования к параметрам LC фильтра.

Применение частотных преобразователей

Сегодня трудно найти область, где не нашли своего применения частотно-регулируемые приводы асинхронных электродвигателей.

На крупных блочных электрических станциях частотные регуляторы осуществляют регулирование подачи топлива в котлы, гибко адаптируя работу энергоблоков к изменяющемуся режиму работы энергосистемы. В этом качестве частотные приводы функционируют как исполнительные звенья автоматизированной системы управления технологическими процессами электростанции.

Частотное регулирование приводов мощных вентиляторов промышленных систем позволяет автоматически поддерживать оптимальные условия их работы при изменении внутренних и внешних факторов, экономя при этом электрическую энергию и продлевая ресурс оборудования.

Большую финансовую экономию принесло внедрение частотных регуляторов в городские системы водоснабжения. Рабочее давление в водоводах питьевого назначения ранее поддерживалось в основном путём оперирования задвижками. Это приводило к неэффективной работе насосного оборудования, повышенному расходу энергии и износу. Насосы, оснащённые частотным приводом способны гибко реагировать на изменение расхода воды в системе и изменяя частоту вращения поддерживать необходимое давление.

Применение частотных регуляторов не обошло стороной и область бытовой электротехники. Все современные стиральные машины и пылесосы оснащены частотным приводом. Это позволило отказаться от редукторов и ремённых приводов и повысить экономичность работы домашних агрегатов.

Разработка модуля управления трехфазным асинхронным двигателем с автономным питанием

преподаватель, Донской государственный технический университет.

344000, Россия, Ростовская область, г. Ростов-на-Дону, Гагарина, 1

Gubanova Aleksandra Anatol’evna

Lecturer at Don State Technical University.

344000, Russia, Rostovskaya oblast’, g. Rostov-Na-Donu, Gagarina, 1

кафедра АПП, ДГТУ

344000, Россия, Ростовская область, г. Ростов-На-Дону, пл. Гагарина, 1, оф. 6-303

Kislov Kirill Vadimovich

post-graduate student at Don State Technical University

344000, Russia, Rostovskaya oblast’, g. Rostov-Na-Donu, pl. Gagarina, 1, of. 6-303

Просмотров статьи: 4255 c 5.5.2015

Дата направления статьи в редакцию:

Дата публикации:

Аннотация: Предметом исследования является модуль управления трехфазным асинхронным двигателем с автономным питанием; данный модуль предназначен для векторного управления асинхронным трехфазным двигателем. Устройство выполнено на основе современных достижений технологий микроэлектроники, цифроаналоговых интегральных схем и контроллера обработки цифровых и аналоговых сигналов со встроенными ШИМ- схемами.Область применения разрабатываемого устройства: может использоваться на любых предприятиях для управления машинами с асинхронным приводом.Проектируемое устройство предназначено для управления асинхронным двигателем и осуществляет регулирование и измерение его основных параметров. В основе управления модулем управления трехфазным асинхронным двигателем с автономным питанием лежит метод, который основан на осуществлении регулирования измерения его основных параметров на основе векторного управления. Разрабатываемое устройство быть реализовано в виде структуры, состоящей из определенного количества функциональных подсистем отражающих принципы декомпозиции как по технологическому признаку, так и в соответствии с иерархией реализуемых задач управления.В ходе работы были разработаны схемы электрическая структурная и принципиальная, а также печатная плата устройства. Разработанный модуль отличается малыми габаритами, возможностью модернизации, и низкой стоимостью (по сравнению с аналогичными устройствами).

Ключевые слова: модуль управления, асинхронный двигатель, автономное питание, микроконтроллер, печатная плата, индикация, интерфейс связи, диаграмма сигналов, датчик, надежность системы

Abstract: The subject of the research is the control module of a three-phase asynchronous motor with Autonomous power supply; this module is designed for vector control of an asynchronous three-phase motor. The device is made on the basis of modern achievements of microelectronics technologies, digital — analog integrated circuits and digital and analog signal processing controller with built-in PWM circuits.Field of application of the developed device: can be used in any enterprise to control machines with asynchronous drive.The designed device is designed to control an asynchronous motor and regulates and measures its main parameters. At the heart of the control module control three-phase asynchronous motor with Autonomous power supply is a method that is based on the implementation of the regulation of the measurement of its basic parameters based on vector control. The developed device should be implemented in the form of a structure consisting of a certain number of functional subsystems reflecting the principles of decomposition both on a technological basis and in accordance with the hierarchy of implemented management tasks.In the course of the work, the schemes of electrical structural and principal, as well as the printed circuit Board of the device were developed. The developed module is characterized by small dimensions, the possibility of modernization, and low cost.

communication interface, display, printed circuit board, microcontroller, Autonomous power supply, asynchronous motor, control module, signal diagram, sensor, system reliability

Любой модуль управления двигателем можно представить как ряд составляющих: силовые транзисторы (инвертор), драйверы управления этими транзисторами, схемы защиты транзисторов инвертора и нагрузки от различного рода неисправностей и схемы управления, формирующие логические сигналы управления инвертором. При этом независимо от схемы управления, формирующей логику работы модуля («активная» схема), непосредственно схема управления инвертором («пассивная») остается неизменной практически для всех типов двигателей, меняется только количество фаз.

Читать еще: Что такое гбц в двигателе мото

В настоящее время существует большое количество аналогичных по структуре модулей, однако всем им присущ серьезный недостаток: они производятся зарубежными компаниями: из этого следуют высокая цена, проблемы с поставками, невозможность настройки модуля под конкретные требования заказчика и др.

Целью работы является обеспечение работы асинхронного двигателя в безопасных для него режимах, предотвращая ударные механические и электрические нагрузки и ограничивая потребляемый ток, а именно:

— управление любым типом нагрузки в соответствии с управляющими сигналами;

— одновременного включения транзисторов верхнего и нижнего плеча инвертора;

— перенапряжения в силовых цепях инвертора;

— регулировка порога срабатывания токовой защиты;

— питание модуля непосредственно от силовой цепи;

— возможность запитывать внешние схемы собственным стабилизированным напряжением c защитой от перегрузки по току.

Модуль управления трехфазным асинхронным двигателем с автономным питанием предназначен для управления асинхронным двигателем и осуществляет регулирование и измерение его основных параметров на основе векторного управления.

Для реализации поставленных задач разрабатываемое устройство должно обеспечивать:

· пуск и останов двигателя;

· изменение частоты вращения вала двигателя.

Визуально структурную схему можно разделить на одиннадцать блоков (см. рисунок 1):

— драйвер силовых ключей;

Более подробно работу модуля управления трехфазным асинхронным двигателем с автономным питанием целесообразно рассмотреть с помощью схемы электрической принципиальной.

Рисунок 1- Структурная схема модуля управления трехфазным асинхронным двигателем с автономным питанием

Модуль управления трехфазным асинхронным двигателем с автономным питанием состоит из микроконтроллера PIC18F458, асинхронного двигателя, индикатора LCD-дисплея (2-х строчный по 16 символов), клавиатуры, которая задается командой управления, двух интерфейсов связи RS-232 и CAN-интерфейсом, драйвера силовых ключей IR2131 и силовых ключей VT1-VT6.

Силовые ключи IR2131 предназначены для согласования уровней из TTL-уровней и датчика обратной связи (ОС) (датчик тока ACS758), который включен между минусовым проводом и силовыми ключами (является ОС по току).

В качестве датчика тока (ДТ) на схеме применен датчик ACS713, работающий на эффекте Холла, который регистрирует превышение тока и напряжение (Т1). ДТ имеет важные преимущества: благодаря своему миниатюрному корпусу он позволил сэкономить место на схеме, а также на нем не происходит падение напряжения и он не позволяет терять мощность в пустую.

Также в схеме предусмотрена RBRAKE – цепь с электролитом в цепи питания и силовым транзистором (VT7), разряжающим эту емкость по сигналу микроконтроллера.

Также предусмотрена цепь датчика перенапряжения с гальванической развязкой (оптопара Т1).

Алгоритм работы схемы управления можно рассмотреть с помощью диаграммы выходных сигналов и соответствующие им диаграммы выходных напряжений инвертора (при активной нагрузке). Длительность импульсов 1,11 миллисекунды, а длительность паузы между ними (внутри пачки) зависит от частоты, и при частоте выходного напряжения инвертора 50 Гц составляет около 20 микросекунд (защитный интервал, полностью исключающий возможность возникновения сквозных токов в инверторе).

Рисунок 2- Диаграмма выходных сигналов схемы управления

Принцип управления состоит в использовании инвертора на IGBT транзисторахIRG4BC40K, к которому подключается АД мощностью 0.75 кВт.

Учитывая условия эксплуатации устройства и допускаемые значения воздействующих факторов по группам жесткости, оговоренным государственным стандартом ГОСТ 23752-79 устанавливаем: плата должна соответствовать ГОСТ 23752-79, группа жесткости 1. Группа жесткости 1 подразумевает следующие климатические условия [1] :

— температура воздуха от -30ºС до +35ºС

— влажность воздуха примерно 75%

— атмосферное давление нормальное (761 мм.рт.ст)

Определяем тип печатной платы. По конструктивным особенностям печатные платы с жестким основанием делятся на типы: односторонние, двусторонние и многослойные.

Выбираем двустороннюю печатную плату (ДПП), так как она характеризуется:

— возможностью обеспечить повышенные требования к точности выполнения проводящего рисунка;

— механической прочностью платы;

— уменьшением сопротивлений всех подключений к общему проводу, что, в свою очередь, уменьшает шум и наводки;

— увеличением распределенной емкостью для каждой цепи схемы, помогая подавлять излучаемый шум.

Рисунок 3- Схема электрическая принципиальная модуля управления трехфазным асинхронным двигателем с автономным питанием

Выбираем габаритные размеры и конструкцию печатной платы. С этой целью из государственного стандарта ГОСТ 29137-91 выбираем варианты установки навесных элементов и выполняем компоновку графическим методом. В результате компоновки получена печатная плата простой прямоугольной формы с размерами 170х100 мм, размеры каждой стороны печатной платы кратны 5 и соотношения сторон близки к 1:1 Толщина платы определяется с учетом нагрузки на печатную плату, минимального диаметра отверстия и коэффициента γ для 3-го класса точности изготовления печатной платы.

(1)