Чалый Владимир Викторович

Факультет: Электротехнический

Специальность: Электропривод и Автоматизация Промышленных Установок

Тема выпускной работы:

Синтез Систем управления электромеханическими обьектами с применением интеллектуальных модулей на основе оборудования фирмы Control Technique

Руководитель: Розкаряка Павел Иванович

        vinni3000@yandex.ru

Двигатель переменной частоты.

Перевод с английского: Чалый В.В.

What is a Variable Frequency Drive? How does a VFD Work?

Что такое привод переменной частоты?

        Вы можете разделить мир электроприводов на две категории: переменного тока и постоянного тока. Электропривод контролирует скорость, момент, направление и результирующую мощность электродвигателя. Привод постоянного тока как правило применяют для управления двигателем смешанного возбуждения, который имеет якорь и магнитопроводящий контур. Электропривода переменного тока контролируют электродвигатели переменного тока, и как их аналоги, привода постоянного тока контролируют скорость, момент и мощность.

Применение в качестве примера

        Давайте рассмотрим применение привода на примере. На рисунке 1 вы можете увидеть простое устройство с постоянной скоростью вращения вентилятора с применением электропривода. Вы могли бы заменить трехфазный электродвигатель на частотно регулируемый, для изменения частоты вращения вентилятора. Тогда существовала возможность управления скоростью вращения вентилятора ниже максимальной и вы смогли .s изменять давление воздушного потока изменением скорости вращения, вместо применения дросселирования.

Figure 1, Fixed Speed Fan Application

        Привод может контролировать два основных параметра трехфазного электродвигателя: скорость и момент. Для обьяснения принципа регулирования этих двух показателей кратко рассмотрим конструкцию электродвигателя переменного тока. На рисунке 2 показана конструкция асинхронного электродвигателя. Основные элементы электродвигателя - ротор и статор, они взаимодействуют засчет магнитного потока. Электродвигатель содержит пары полюсов. Они представляют из себя металлические секции на статоре, уложенных определенным образом для обеспечения протекания магнитного поля между полюсами.

Figure 2, Basic Induction Motor Construction

Figure 3, Operating Principles of Induction Motor

        С одной изолированной парой полюсов в электродвигателе, ротор (якорь) вращается на определенной скорости: на номинальной скорости. Эту скорость определяют число пар полюсов и частота (рисунок 4). В этой формуле скорости учитывается эффект называемый скольжением. Скольжение – это разность скорости вращения ротора и скорости вращения магнитного поля статора. Когда магнитное поле проходит через магнитопроводящий участок ротора, в роторе возникает свой собственный магнитный поток. Этот магнитный поток входит в зацепление с магнитным потоком статора. Тем не менее, этого не случается - возникает разность называемая скольжением. Считается что скольжение – это расстояние между собакой и кроликом которые бегают по трэку. До тех пор пока она не поймает кролика они будут продолжать бегать по кругу. Скольжение – это то что заставляет электродвигатель вращаться.

Motor Slip:
	Shaft Speed =	120 X F P	- Slip
	Slip for NEMA B Motor = 3 to 5% of Base Speed which is 1800 RPM at Full Load
	F = Frequency applied to the motor P = Number of motor poles
Example:
	Shaft Speed =	120 X 60 Hz 4	- Slip
Figure 4, Induction Motor Slip Calculation

        Вы можете легко регулировать частоту вращения электродвигателя путем изменения частоты приложенного к нему напряжения. Вы можете также регулировать скорость вращения путем изменения числа пар полюсов, но это является физическим изменением конструкции двигателя. Это требует перемотки, и как результат – ступенчатое изменение скорости. Так что для соотношения цена-качество, и точности, мы будем изменять частоту. На рисунке 5 показана универсальная зависимость момента от частоты: Соотношение вольт на Герц. Для изменения момента мы изменяем это соотношение. В электродвигателях питающихся от сети 460 В, частотой 60 Hz это соотношение принимает значение 7.67. До тех пор пока соотношение соответствует пропорции, электродвигатель будет развивать вычисленный ранее момент. Электропривод способен обеспечить разнообразные выходные частоты. На каждой из заданных выходных частотах вы получите новую зависимость момента от частоты.

Figure 5, Volts/Hertz Ratio

Как электропривод изменяет частоту вращения электродвигателя?

        Каким образом двигатель обеспечивает выходную частоту и напряжение необходимое для изменения скорости двигателя? Это то что мы рассмотрим далее. На рисунке 6 показан типичный привод основанный на принципе ШИМ. Все привода с ШИМ содержат эти главные части, с небольшими отличиями в конструкции и программном обеспечении.

Figure 6, Basic PWM Drive Components

        Несмотря на то, что некоторые привода используют однофазный источник питания, мы акцентируем внимание на трехфазном приводе. Но, для упрощения иллюстрирования, формы сигнала в данном приводе показаны только для одной фазы входа и выхода. Входная секция привода - выпрямитель. Он содержит шесть диодов, соединенных в электрический мост. Эти диоды преобразуют переменный ток в постоянный. Следующая секцтя- звено постоянного тока- используемое для стабилизации постоянного напряжения.

        Звено постоянного тока фильтрует и сглаживает форму выходного сигнала. Диоды фактически преобразовывают отрицательную полуволну входного сигнала в положительную. В 460 вольтовом габарите, вам следует измерить среднее напряжения на звене постоянного тока в пределах от 650 до 680 вольт. Вы можете рассчитать это как линейное возрастание в 1.414 раза. Индуктивность (L) и емкость (C) работают вместе для фильтрования любой переменной составляющей в сигнале постоянного тока. Чем больше сглаживание постоянного тока, тем чище выходная форма сигнала с привода.

        Звено постоянного тока питает последнюю секцию привода: инвертор. Как и указывает название, эта секция инвертирует постоянный ток в переменный. Но, оно делает так с различной выходной частотой и напряжением. Как оно так делает? Это зависит от того, какой тип силовых элементов использован в приводе. Технология биполярных транзисторов начала вытеснять тиристорные электропривода в середине 70-х. В начале 90-х это дало путь для использования технологии биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), которые сформируют базу для нашего рассмотрения.

Переключение шины с исользованием IGBT транзисторов.

        В наши дни в инверторах используются IGBT транзисторы для коммутации шины постоянного тока в заданные промежутки времени. Таким образом, инвертор фактически создает различные уровни переменного напряжения и различные выходные частоты. Как показано на рисунке 7, выходной сигнал привода не обеспечивает четкое соответствие входной синусоиды. Вместо этого, он создает пульсации напряжения определенной величины.

Figure 7, Drive Output Waveform

        Устройство управления приводом подает сигнал на контрольную цепь для переключения между положительной и отрицательной полуволной напряжения силового элемента. Это перемежение положительных и отрицательных переключений воссоздает 3-х фазный выход. Чем дольше силовой элемент находится в открытом состоянии, тем выше уровень выходного напряжения. Чем меньше силовой элемент открыт, тем ниже уровень выходного напряжения (показано на рисунке 8). Обратно, чем дольше силовой элемент отключен, тем меньше выходная частота.

Figure 8, Drive Output Waveform Components

        Скорость с которой элемент переключаются между открытым и закрытым состоянием - это несущая частота, также известная как частота коммутации. Чем выше частота коммутации, тем выше разрешение каждого ШИМ импульса. Типичные частоты переключения порядка от 3,000 до 4,000 раз в секунду (3KHz to 4KHz). (По сравнению со старыми, тиристорными электроприводами, частота коммутации составляла от 250 до 500 раз в секунду). Как вы можете представить, чем выше частота переключения, тем чище форма выходного сигнала и выше разрешение ШИМ. Тем не менее, более высокая частота коммутации понижает КПД привода из-за повышения нагрева силовых элементов.

Уменьшение стоимости и размеров

        Электропривода изменяются в зависимости от их предназначения, но конструкция продолжает совершенствоваться. Электропривода выпускаются все в меньших габаритах с каждым последующим поколением. Направление аналогично персональным компьютерам. Больше возможностей, лучшая производительность и понижение стоимости с каждым последующим поколением. В отличии от компьютеров, однако, электропривода эффектно доказали свою надежность и простоту в использовании. Электропривода все в большей степени становятся "plug and play." Как силовые элементы электроники совершунствуются в надежности и уменьшаются в размерах, стоимость и размеры преобразователей частоты будет продолжать уменьшаться. До тех пор пока это будет продолжаться, их производительность и простота использования будут становиться только лучше.