Будова та принцип роботи перетворювача частоти (пч)

На рис. 4 представлена блок-схема силової частини перетворювача із проміжною ланкою постійного струму (так званий U-інвертор).

Рис. 4. Блок-схема силової частини перетворювача із проміжною ланкою постійного струму.

Випрямляч складається із некерованої одно або трифазної мостової схеми. Однофазний випрямляч використовується у інверторах малої потужності. Випрямляч перетворює змінну напругу мережі у постійну напругу. Далі вона згладжується у проміжному контурі конденсатором.

Під час зарядження конденсатора проміжного контуру протікає дуже великий короткочасний струм, тому струм зарядки повинен бути обмежений допустимою величиною. Це досягається включенням баластного резистора R послідовно із конденсатором, який активується тільки при включенні перетворювача. Після зарядки конденсатора резистор закорочується.

Основне призначення перетворювача частоти (ПЧ) – отримання змінної по частоті і амплітуді напруги для керування асинхронним трифазним двигуном, тому на виході встановлюється інвертор.

При інвертуванні постійного струму у змінний в ПЧ використовуються транзистори, які працюють в режимі ключа. На початку 90-х домінували біполярні транзистори з відносно малими частотами комутації, до 2 кГц. Зараз використовуються польові транзистори із низькими втратами, а також IGBT транзистори. Ці типи транзисторів забезпечують частоти комутації до 16 кГц з дуже низьким рівнем шуму.

Рис. 5. Силова частина інвертора.

За допомогою циклічного переключення силових ключів, струм змінюється у трьох вихідних фазах, які постійно зсунуті на 120˚ одна відносно одної. Одночасно відкриті три транзистори. Діаграма включення показана на рис. 6. Таким чином отримується симетрична трифазна система, частота якої залежить від тривалості циклу спрацювання вихідних ключів інвертора. Амплітуда визначається скважністю імпульсів. Шестиступінчатий характер діаграм фазних напруг інвертора відображає шість різноманітних станів силової схеми, інтервали існування яких відображені цифрами 1-6 на рис. 6. Шість схем заміщення інвертора, що відповідають цим шести станам силової схеми зображені на рис. 8. У першому стані увімкнені транзистори Т₄, Т₃ і Т₂, таким чином, фази А і С навантаження підключені до додатного потенціалу напруги проміжного контуру U_КП, а фаза B підключена до від’ємного потенціалу проміжного контуру. При однакових опорах фаз навантаження на дві паралельно з’єднані фази А і С буде прикладена третина напруги додатної полярності проміжного контуру, а на фазу В – дві третіх напруги від’ємної полярності проміжного контуру U_ПК, що відображено на діаграмах фазних напруг інвертора рис. 6. Аналогічно визначаються по схемам заміщення величини фазних напруг на всіх інших інтервалах.

Рис. 6. Часові діаграми включення транзисторів та форма вихідної напруги.

Рис. 7. Схеми заміщення силової частини інвертора.

Вихідний струм та напруга.

Вихідна напруга перетворювача частоти формується за допомогою ШІМ, тобто циклічного влючення/виключення постійної напруги проміжного контуру. Таким чином, вихідна напруга складається з прямокутних блоків. Якщо вихідну напругу піддати аналізу Фур’є, то крім основної гармоніки буде ряд вищих гармонік. Ці гармоніки залежать від індуктивного навантаження, і в більшості випадків значно послаблені.

Струм може бути визначений інтегруванням вихідної напруги.

При активно-індуктивному навантаженні, яким являється асинхронний двигун, вихідний струм складається із сегментів експоненціальних функцій. На рис. 8 зображена розрахункова синусоїдна форма струму у фазі А – і криві дійсного струму . В момент напруга фази і струм починає наростати майже за експоненціальним законом. Коли він досягне точки , яка знаходиться на верхній границі „коридору”, різниця формує на вимкнення ключа Т₄. Напруга стане рівною нулю і струм із-за протидії ЕРС самоіндукції почне спадати. Коли струм спаде до нижньої границі „коридору” (точка ), тоді і формується сигнал на включення ключа Т₄. Так шляхом включення-виключення ключа Т₄ буде формуватися додатня півхвиля кривої струму у фазі А на ділянці . На ділянці комутуватися буде ключ Т₁. Більш висока несуча частота, тобто частота з якою транзистори комутуються, і індуктивне навантаження може більш точно наблизити струм до синусоїди. Одночасно з цим гармонік зсуваються до більш високої частоти, яка при несучій частоті 16 кГц, лежить за межами нормального температурного діапазону.

Рис. 8. Діаграма струму перетворювача частоти з широтно-імпульсним керуванням.

Рис. 9. Графіки вихідного струму при зміні частоти модуляції.