ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ: ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ

ВВЕДЕНИЕ

Значительная доля потребления электроэнергии приходится на электроприводы переменного тока, которые приводят в движение насосы, вентиляторы, конвейеры, компрессоры и станки. Традиционные методы регулирования производительности этих механизмов — дросселирование, задвижки, механические вариаторы — являются энергетически неэффективными, поскольку двигатель продолжает работать с номинальной скоростью, а избыточная энергия рассеивается.

Актуальность исследования обусловлена необходимостью повышения энергоэффективности промышленного оборудования. Целью работы является систематизированный анализ принципов действия, классификации и систем управления преобразователями частоты.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ

Преобразователь частоты — это силовое электронное устройство, которое регулирует скорость вращения асинхронного двигателя путём изменения частоты и амплитуды питающего напряжения. Скорость вращения асинхронного двигателя жёстко связана с частотой питающей сети, поэтому изменение частоты позволяет плавно управлять оборотами без механических едач.
Синхронная частота вращения определяется формулой: , где n — синхронная частота вращения (об/мин), f — частота тока (Гц), p — число пар полюсов двигателя. В основе типовой схемы преобразователя частоты лежит двухзвенное преобразование энергии с промежуточным звеном постоянного тока. Энергия проходит три ступени:

1. Выпрямитель. Диодный (реже тиристорный) мост преобразует переменное напряжение сети в постоянное.

2. Звено постоянного тока (фильтр). Конденсатор сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. В условиях малых нагрузок напряжение звена стабилизируется на уровне ≈ 1,41 Vпит, при полной нагрузке снижается до ≈ 1,35 Vпит.

3. Автономный инвертор напряжения. На базе силовых транзисторов IGBT формирует трёхфазное «квази-синусоидальное» напряжение требуемой частоты и амплитуды. Управление ключами инвертора осуществляется методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ) [3].

КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ЧАСТОТЫ

Разнообразие технологических задач диктует применение различных алгоритмов управления. Основными типами являются скалярное и векторное управление. Скалярное управление основано на поддержании постоянного соотношения напряжение/частота (V/f = const) во всём диапазоне регулирования, что обеспечивает постоянство потока намагничивания двигателя. Управление производится без обратной связи, а точность поддержания скорости зависит от скольжения двигателя, которое меняется с нагрузкой. Для улучшения характеристик на низких скоростях применяются компенсация скольжения и повышение крутящего момента. Скалярное управление отличается простотой и широко используется в приложениях, не требующих высокой точности или быстрого реагирования на изменение момента. Векторное управление обеспечивает высокие быстродействие и точность управления скоростью и крутящим моментом. Оно может быть реализовано с обратной связью (с датчиком скорости) или без неё (сенсорless). Векторное управление поддерживает постоянный вращающийся момент во всём диапазоне частот, что делает его предпочтительным для подъёмных механизмов, станков и других применений с высокими требованиями к динамике. Современным развитием векторного подхода является применение пространственно-векторной модуляции (SVM), которая позволяет более полно использовать запас напряжения звена постоянного тока, уменьшить число переключений ключей и снизить пульсации момента двигателя [2].

ПРИМЕНЕНИЕ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ

Основной сферой применения преобразователей частоты является регулируемый электропривод переменного тока. ПЧ выпускаются на мощности от десятков ватт до десятков мегаватт и напряжение от 220 В до 6 кВ. Типовые применения включают насосные станции, системы вентиляции и дымоудаления, конвейеры, компрессоры, станки, лифты и краны.

Ключевым преимуществом преобразователей частоты является энергосбережение. Для насосов и вентиляторов снижение скорости всего на 20 % даёт экономию электроэнергии до 50 %. Согласно данным Fraunhofer ICT, потенциал экономии при применении частотного регулирования составляет от 10 до 70 % в зависимости от устройства и профиля нагрузки. Целевое использование преобразователей частоты в ЕС позволяет экономить до 140 ТВт·ч электроэнергии в год — около 5 % от общего потребления электроэнергии в Евросоюзе[1].

Экспериментальные исследования подтверждают эти оценки. Для двигателя мощностью 7,5 кВт при снижении частоты с 50 до 30 Гц потребляемая мощность уменьшается с 8,0 до 4,0 кВт, а КПД возрастает с 80,0 % при 30 Гц до 88,8 % при номинальной частоте. Снижение КПД на низких частотах объясняется доминированием постоянных потерь — потерь в стали и механических.

Помимо энергосбережения, преобразователи частоты обеспечивают плавный пуск и останов, исключая броски тока и механические удары, что продлевает срок службы двигателя и всего привода. Пусковой ток снижается с 5–7-кратного при прямом пуске до значений, близких к номинальному. Также обеспечивается защита двигателя по току, перегреву, обрыву фазы и другим аварийным режимам[4].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Преобразователь частоты является ключевым элементом современного энергоэффективного электропривода переменного тока. Применение преобразователей частоты в насосных, вентиляционных и других установках с переменной нагрузкой даёт значительный экономический и экологический эффект, подтверждённый экспериментальными данными и макроэкономическими оценками. Дальнейшее развитие направления связано с интеграцией ПЧ в цифровые системы управления производством, применением беспроводных интерфейсов и адаптивных алгоритмов идентификации параметров двигателя.