ПЧ включает в себя 3-фазный выпрямитель (по схеме Ларионова) и 3-фазный инвертор на IGBT, такая схема является двухзвенной, т.е., сначала переменное напряжение сети выпрямляется, сглаживается, а затем модулируется в выходном каскаде посредством ШИМ. В схему инвертора также включен фильтр, состоящий из емкости для сглаживания пульсаций в звене постоянного тока, и мастер контроллер, отвечающий за ШИМ и контроль выходных параметров, линейный и релейный датчики температуры и вентилятор охлаждения. В инвертор может быть встроен фильтр ЕМС, дроссель звена постоянного тока, тормозное реле (рис. 1). Это наиболее распространенная конфигурация при построения преобразователей частоты по схеме инвертор напряжения. Подробное описание каждого элемента схемы приведено далее.
Рис. 1. принципиальная схема 6-пульсного Преобразователя частоты
ЧРП должен быть подключен к питающей сети через автомат защиты, который будет использоваться и как выключатель. В конструкции ЧРП предусмотрены необходимые меры безопасности, все высоковольтные цепи и каскады закрыты пластиковой крышкой, однако высокое напряжение присутствует на контрольных выходах затворов IGBT верхнего плеча, на терминалах питания и выходах, поэтому подключение силовых кабелей и измерительной аппаратуры, необходимо производить с максимальной осторожностью и только после отключения сборки от сетевого питания.
Теперь по порядку
Выпрямитель
Поскольку мы имеем дело с двойным преобразованием, то нам необходим выпрямитель, который преобразует переменный ток в постоянный, связано это с тем, что переменный ток преобразовать в переменный, но с другой частотой и амплитудой, иными способами не получится. Выпрямитель в преобразователе может быть как трехфазный, так и однофазный. В данной схеме, мы видим обычный неуправляемый выпрямитель на диодах, при всей своей простоте конструкции, к сожалению, выпрямитель на обычных диодах имеет ряд недостатков, и главный недостаток, это то, что мы имеем нелинейную нагрузку в сети со всеми сопутствующими её проблемами, как то пульсации при работе выпрямителя, и связанные с этим гармонические искажения по току (THDI). При определенных условиях, суммарный коэффициент гармонических искажений может достигать 70%! Второй существенный минус такого выпрямителя состоит в перегрузочной способности диодов, что важно какпри первом включении при полностью разряженной емкости звена постоянного тока, так и при отклонении напряжения сети. Для снижения пиковых нагрузок при первичном заряде конденсаторов, в выпрямитель устанавливают схему заряда конденсаторов с дополнительным токоограничивающим резистором и реле (рис. 2), либо в одно плечо выпрямителя устанавливают тиристоры, включаемые по мере снижения тока заряда конденсаторов (рис. 3)
Рис. 2
Рис.3
Емкость звена постоянного тока
В звене постоянного тока установлена емкость, как правило, это оксидные (электролитические) конденсаторы. Основным назначением конденсатора, установленного в звене постоянного тока, является устранение перенапряжений, вызванных коммутацией силовых ключей инвертора и сглаживание пульсаций напряжения, вызванных работой выпрямителя. Следует отметить, что напряжение в звене постоянного тока под нагрузкой преобразователя имеет форму периодически изменяющегося однополярного сигнала, модулированного в общем случае низкочастотной и высокочастотной составляющими.
Частота низкокочастотной составляющей напряжения определяется пульсностью выпрямителя, а частота высокочастотной составляющей напряжения определяется частотой коммутации и алгоритмом работы силовых ключей инвертора. Если величина емкости конденсатора звена постоянного тока равна нулю, то напряжение этого звена будет меняться от некоторого минимального значения (определяемого типом выпрямителя) до амплитуды сетевого напряжения, что негативно отразится на формировании выходного напряжения инвертора. Уровень пульсации напряжения в звене постоянного тока определяется типом выпрямителя, частотой коммутации и алгоритмом работы силовых ключей инвертора, характером нагрузки электрического преобразователя и величиной емкости самого конденсатора, установленного в звене постоянного тока. При установке конденсатора в звено постоянного тока пульсации напряжения будут тем меньше, чем больше емкость конденсатора. На интервалах времени, когда напряжение на конденсаторе выше уровня выпрямленного напряжения, диоды выпрямителя оказываются запертыми обратно приложенным напряжением конденсатора и идет процесс разряда конденсатора на нагрузку.
На основании выше изложенного можно заключить, что конденсатор установленный в звене постоянного тока, необходим для снижения:
- перенапряжений, вызванных коммутацией силовых ключей инвертора при работе на активно-индуктивную или индуктивную нагрузку, которые могут привести к отказу силовых модулей из-за превышения допустимого уровня напряжения (пробой по напряжению);
- низкочастотных пульсаций напряжения, что повышает качество формируемого напряжения на выходе инвертора, так как при синтезе алгоритма управления силовыми ключами, как правило, не учитывают пульсации напряжения в звене постоянного тока.
Если внимательно посмотреть на схему, то увидим два конденсатора установленных последовательно, связано это с тем, что рабочее напряжение конденсатора 400В, а напряжение в звене постоянного тока, например для сети 0,4кВ, 560В, то для увеличения Uраб конденсатора, пришлось применить последовательную схему в ущерб емкости. То же правило действует для напряжения 0,69кВ, но в этом случае устанавливается три последовательных конденсатора. Существует альтернатива – полипропиленовые конденсаторы обладающие рабочим напряжением до 1500В, существенно меньшим значением ESR, и гораздо более высокой стойкостью к пробою.
При расчете емкости звена постоянного тока учитывают величину пульсаций и тип нагрузки, так же величина емкости влияет на время работы преобразователя при обрыве питания и при провалах напряжения. Хорошими показателями в этом случае считаются возможность работы на полной нагрузке при снижении до 0,8Uпит в течении 1 минуты, и 300 ms при обрыве питания. Есть отдельные решения для слабых сетей, и там снижение допускается до 0,65Uпит но это конструктивно другой частотник.
Казалось бы, что мешает увеличить емкость и получить большее время работы при отклонениях в сети? Но не тут то было, я напомню, что импеданс конденсатора зависит от его емкости и уровня заряда в конкретный промежуток времени, и соответственно, даже имея некоторый заряд в конденсаторе и сниженное напряжение, мы не сможем мгновенно зарядить конденсатор при восстановлении напряжения по-скольку схема плавного заряда уже не работает, контроллер преобразователя не знает, и не может включить схему плавного заряда конденсаторов, да и в случае перехода электродвигателя в генераторный режим разница потенциалов на обратнопаралельных диодах транзисторных ключей будет критически велика, что несомненно приведет к их пробою и к дополнительной нагрузке на конденсатор, что тоже сокращает срок службы конденсатора. Кстати, считается, что средний срок службы конденсатора 5 лет, но на моей практике есть пример беспроблемной работы 24/7 преобразователя LS с 2003 года.
Инвертор
Выходной каскад преобразователя частоты в инверторе напряжения выполнен на IGBT транзисторах. Данная аббревиатура заимствована из зарубежной терминологии и расшифровывается как Insulated Gate Bipolar Transistor, а на русский манер звучит как Биполярный Транзистор с Изолированным Затвором. Поэтому IGBT транзисторы ещё называют БТИЗ. БТИЗ представляет собой электронный силовой прибор, который используется в качестве мощного электронного ключа. Такие транзисторы мы можем встретить в импульсных источниках питания и инверторах. IGBT транзисторы собраны в модули IGBT, каждому транзисторы подключен обратнопаралельный диод (рис. 4), служащий, как для шунтирования транзистора в переходных процессах, так и выпрямителем при переходе подключенного электродвигателя в генераторный режим. Так же для небольших мощностей в модуле может быть установлен выпрямитель и дополнительный IGBT транзистор (тормозное реле) (рис. 5).
Рис. 4
Рис. 5
Выходные транзисторы работают в ключевом режиме. Считается, что в выключенном состоянии сопротивление ключа бесконечно велико, а во включенном ничтожно мало, за счет этого КПД работы достаточно высок, потери происходят только в переходных режимах, а они в ключевом режиме также ничтожно малы, но тем не менее даже кратковременное переключение приводит к нагреву этого ключа и это тепло необходимо отвести. Для формирования выходного сигнала применяют ШИМ-модулятор (рис. 6). Выходное значение напряжение равно среднеамплитудному, т.е. чем больше время открытого состояния ключа – тем больше значение выходного напряжения. Есть еще одна важная характеристика как частота модуляции, и чем она выше – тем точнее будет воспроизведена синусоида, но при этом количество переходных процессов увеличится, и это непременно приведет к большему нагреву и потерям, чем меньше частота модуляции, тем легче работать модулю IGBT, но тем больше гармоник тока в силовой цепи и ее реактивная мощность. Поэтому приходится выбирать частоту модуляции ШИМ в пределах 2…20 кГц, что бы обеспечить «золотую середину» при решении конкретной задачи. Для управления ключами используются специальные драйвера.
рис. 6