❝Известно миру с давних пор дивное устройство - преобразователь частоты и о нём поведать тебе желаю, о благородный искатель знаний. Сей агрегат, что частоту переменного тока умудряется изменять, великое мастерство инженеров древних времен и нынешних дней являет. В лоне его электронных схем, транзисторов могучих и диодов светозарных, ток преображается, да так, что скоростью двигателя переменного тока управлять можно.
Сие устройство, вольно называемое инвертором, позволяет машинам различным работать с разной скоростью, что ранее было невозможно без сложных механизмов с шестерёнками. Таким образом, преобразователь частоты в мире современном — незаменимый помощник в деле управления механизмами, от ветряных мельниц до современных заводов. Используется он и в быту, и в промышленности, и везде, где нужно изменять скорость вращения агрегатов. Благодаря ему, энергия сберегается, ибо машины работают точно по нужде, не тратя лишнего.
Такова суть преобразователя частоты, о благородный искатель. Мудрость древних и новых времен в нем сосредоточена, и служит он верой и правдой тем, кто в электричестве путь свой ищет❞
Принцип работы преобразователя частоты
Основная функция ПЧ заключается в изменении частоты и амплитуды выходного напряжения, что позволяет управлять скоростью и мощностью электродвигателя.
Преобразователь частоты (часто называемый преобразователем переменного тока ПЧ или ЧРП) - это электронное устройство, которое позволяет управлять скоростью вращения вала электродвигателя подавая на его обмотки питающее напряжения с определённой частотой. Контроллер может использовать различные алгоритмы и методы управления для достижения желаемой частоты и амплитуды выходного переменного тока. Сама возможность такого управления достигается при помощи нескольких основных блоков:
- Выпрямительный мост (Rectifier Bridge) - представляет собой первый каскад ПЧ, преобразующий входное переменное напряжение сети (обычно 50 Гц) в постоянное напряжение. Выпрямительный мост может быть реализован на основе диодов или управляемых полупроводниковых приборов, таких как силовые тиристоры;
- Фильтр постоянного напряжения (DC Link) - служит для сглаживания пульсаций постоянного напряжения, полученного на выходе выпрямительного моста. Он включает в себя конденсаторы и индуктивные элементы, обеспечивающие стабилизацию напряжения и уменьшение его колебаний. Это помогает создать более стабильный постоянный ток для последующего преобразования;
- Инвертор (Inverter) - инверторный каскад преобразует постоянное напряжение в переменное с регулируемой частотой и амплитудой. Он собран на основе полупроводниковых ключей, таких как IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором) или MOSFET (полевые транзисторы с изолированным затвором). Переключение ключей инвертора происходит с высокой частотой (сотни кГц), что позволяет получить переменное напряжение с требуемыми характеристиками;
- Система управления (Control System) - управляющая электроника отвечает за генерацию сигналов управления для ключей инвертора, мониторинг и регулировку параметров выходного напряжения и тока. Современные системы управления часто используют цифровую сигнальную обработку (DSP) для выполнения сложных алгоритмов управления, таких как векторное управление или управление на основе прямого момента;
- Фильтр выходного напряжения (Output Filter) - для уменьшения гармонических искажений и электромагнитных помех, вызванных высокочастотными переключениями инвертора, используется выходной фильтр. Он включает в себя индуктивности и конденсаторы, сглаживающие выходное напряжение.
Использование входного дросселя
При выборе и разработке входных, а так же выходных дросселей необходимо учитывать ряд факторов, которые смогут обеспечить качественное управление двигателем. Надо учесть материал магнитопровода (феррит, порошковый железо и т.д.) который зависит от частотного диапазона и уровня тока. Разные материалы имеют различные характеристики потерь и насыщения. Важна и индуктивность и максимальная нагрузка по току, которые определяют габариты и конструкцию дросселя. Входные дроссели обычно рассчитаны на высокие токи и низкие частоты, тогда как выходные дроссели должны эффективно работать при высоких частотах переключения. Высокие токи и потери в сердечнике дросселя могут приводить к значительному нагреву, поэтому важно предусмотреть эффективное охлаждение, чтобы предотвратить перегрев материалов.
Входной дроссель конструктивно представляет собой катушку индуктивности, выполненную на ферритовом или порошковом магнитопроводе. Его основное свойство - способность индуктивности сопротивляться изменениям тока. Когда ток через дроссель изменяется, возникает ЭДС самоиндукции, противодействующая этим изменениям, что приводит к сглаживанию пульсаций и снижению уровня гармонических искажений. Основные функции
- Снижение гармонических искажений - входные дроссели уменьшают количество высших гармоник, генерируемых выпрямительным каскадом преобразователя, что способствует улучшению качества электропитания и снижению электромагнитных помех;
- Защита от импульсных перенапряжений - дроссели помогают защищать преобразователь частоты от скачков напряжения в сети, которые могут возникнуть в результате коммутационных процессов или грозовых разрядов;
- Снижение пульсаций тока - уменьшают пульсации тока, протекающего через выпрямительные диоды, что снижает тепловую нагрузку на эти элементы и продлевает срок их службы.
Использование выходного дросселя
Выходной дроссель также представляет собой индуктивный элемент, который включается последовательно с нагрузкой (электродвигателем). Благодаря своей индуктивности, он противодействует быстрым изменениям тока, что приводит к сглаживанию выходного напряжения и уменьшению его пульсаций. Выходные дроссели часто используются в сочетании с выходными конденсаторами, образуя LC-фильтр, который эффективно фильтрует высокочастотные компоненты и выполняет несколько функций:
- Сглаживание выходного напряжения - уменьшают высокочастотные компоненты выходного напряжения, вызванные ШИМ модуляцией инвертора, обеспечивая более "чистое" переменное напряжение для электродвигателя;
- Снижение электромагнитных помех (EMI) - способствуют уменьшению электромагнитных излучений, которые могут оказывать негативное влияние на работу соседних электронных устройств;
- Защита электродвигателя - уменьшают амплитуду высокочастотных напряжений, подаваемых на обмотки электродвигателя, что снижает риск перегрева и пробоя изоляции.
Отключение насосов по частоте
Для реализации такого режима необходимо чтобы каждый из двигателей был подключён к своему преобразователю частоты. Он заключается в отключении одного из работающих насосов на определённой частоте (подбирается по определённому алгоритму), что даёт ряд преимуществ в работе всего оборудования:
- Энергосбережение - при отключении одного из преобразователей частоты система будет потреблять меньше электроэнергии, так как количество активных преобразователей будет меньше, а производительность всей системы не измениться.
- Увеличение срока службы оборудования - обоснованное отключение из работы снижает нагрузку на оборудование и увеличить его срок службы. Это особенно важно для уменьшения износа и повышения надежности работы системы.
- Резервирование и гибкость - при отключении одного из преобразователей частоты он становится в резерв и в случае отказа одного из работающих преобразователей, резервный преобразователь будет быстро запущен в работу, что позволит обеспечить работу системы без значительных простоев.
Отключение из работы преобразователей частоты при сохранении производительности всей системы является частью стратегии оптимизации работы. Это позволяет более гибко управлять нагрузкой, распределять ресурсы и обеспечивать эффективную работу в зависимости от текущих условий, что приносит выгоду в виде энергосбережения и увеличения срока службы.
Выравнивание нагрузок параллельно работающих насосов
Как и для режима отключения по частоте, тут необходимо условие чтобы каждый из двигателей был подключён к своему преобразователю частоты, что позволяет регулировать скорость вращения насоса путем изменения частоты подачи выходного напряжения.
Все преобразователи частоты связаны в одну сеть по общему коммуникационному протоколу, посредством интерфейсов RS-485 или Ethernet. ПЧ работают режиме "слейв", а частотой вращения каждого управляет контроллер в режиме "мастер". Мастер получает текущее состояния работы каждого из "слейвов" (ток, нагрузку, крутящий момент и.т.п) и регулирует скорректированную скорость вращения каждого в соответствии заданной формулой, тем самым равномерно распределяя нагрузку между каждым из преобразователей.
Выравнивание нагрузки нескольких насосных агрегатов с помощью преобразователей частоты позволяет достичь более эффективной работы системы, более равномерного распределения нагрузки и снижения энергопотребления. Это особенно полезно в случаях, когда требуется изменять поток жидкости в зависимости от изменяющихся условий или требований процесса.