Перетворювач частоти — це пристрій, який перетворює потужність промислової частоти (50 Гц або 60 Гц) у потужність змінного струму різних частот для реалізації роботи двигунів зі змінною швидкістю, у якій схема керування завершує керування основним ланцюгом, схема випрямляча перетворює потужність змінного струму в потужність постійного струму, проміжна схема постійного струму згладжує та фільтрує вихідний сигнал схеми випрямляча, а схема інвертора перетворює потужність постійного струму назад у потужність змінного струму. Для інверторів з векторним керуванням, які вимагають багато обчислень, інколи потрібен ЦП для розрахунку крутного моменту та деякі відповідні схеми. Регулювання частоти обертання інвертора досягається зміною частоти живлення обмоток статора двигуна.
Існує багато способів класифікації перетворювача частоти, відповідно до класифікації робочого режиму основного кола його можна розділити на перетворювач частоти-типу напруги та перетворювач частоти-струму; відповідно до класифікації режиму перемикання, його можна розділити на PAM-керований перетворювач частоти, ШІМ-керований перетворювач частоти та високий{4}}частотний навантаження ШІМ-перетворювач частоти; відповідно до класифікації принципу роботи його можна розділити на перетворювач частоти з керуванням V/f-, перетворювач частоти з керуванням частотою обертання та перетворювач частоти з векторним керуванням тощо; відповідно до використання Відповідно до класифікації принципу роботи, його можна розділити на інвертори загального-призначення, високо-спеціальні інвертори, високо{10}}частотні інвертори, одно-фазні інвертори та три-фазні інвертори.
VVVF:зміна напруги, зміна частоти CVCF: постійна напруга, постійна частота. Джерело змінного струму, яке використовується в різних країнах, як для дому, так і для фабрик, має напругу та частоту 400 В/50 Гц або 200 В/60 Гц (50 Гц) тощо. Як правило, пристрій, який перетворює змінний струм із фіксованою напругою та частотою в змінний струм із змінною напругою чи частотою, називається «інвертором». Щоб виробляти змінну напругу та частоту, пристрій спочатку перетворює змінний струм джерела живлення на постійний струм (DC).
Інвертори, які використовуються для керування двигуном, можуть змінювати як напругу, так і частоту.
Як працюють перетворювачі частоти
Ми знаємо, що розряд синхронної швидкості двигуна змінного струму:
n = 60 f (1-s)/p (1)
У формулі
n --- швидкість асинхронного двигуна;
f --- частота асинхронного двигуна;
s --- швидкість обертання двигуна;
p---кількість пар полюсів двигуна.
З рівняння (1) можна побачити, що швидкість обертання n прямо пропорційна частоті f, якщо частоту f можна змінити, щоб змінити швидкість обертання двигуна, коли частота f змінюється в діапазоні від 0 до 50 Гц, діапазон регулювання швидкості двигуна дуже широкий. Перетворювач частоти змінює частоту живлення двигуна для реалізації регулювання швидкості, є ідеальним засобом високої ефективності та високопродуктивного регулювання швидкості.
Режим керування перетворювачем частоти
Вихідна напруга-інвертора загального-призначення низької напруги становить 380-650 В, вихідна потужність — 0,75-400 кВт, робоча частота — 0–400 Гц, а всі основні схеми використовують схеми змінного струму, постійного струму і змінного струму. Його режим керування пройшов наступні чотири покоління.
1U/f=C режим керування синусоїдальною широтно-імпульсною модуляцією (SPWM).
Характеризується простою структурою схеми керування, нижчою ціною, механічні характеристики твердості також краще відповідають загальним вимогам до плавної швидкості передачі, широко використовуються в різних галузях промисловості. Однак цей метод керування на низькій частоті, через нижчу вихідну напругу, крутний момент через падіння напруги опору статора є більш значним, так що вихідний максимальний крутний момент зменшується. Крім того, його механічні характеристики не такі жорсткі, як двигун постійного струму, потужність динамічного крутного моменту та характеристики статичної швидкості не є задовільними, а продуктивність системи не висока, крива керування змінюватиметься з навантаженням, реакція крутного моменту повільна, використання крутного моменту двигуна невисоке, низька швидкість через опір статора та наявність ефекту мертвої зони інвертора та погіршення продуктивності, погіршення стабільності тощо. Тому досліджено регулювання швидкості перетворення частоти векторного керування.
Спосіб керування просторовим вектором напруги (СПВН).
Він заснований на передумові про загальний ефект генерації три-фазових форм сигналу, щоб наблизити ідеальну кругову обертову траєкторію магнітного поля повітряного зазору двигуна з метою генерації трьох-фазових модульованих сигналів за раз, а також керування шляхом апроксимації внутрішнього дотичного багатокутника кола. Удосконалено після практичного використання, тобто введено частотну компенсацію, яка дозволяє усунути помилку регулювання швидкості; амплітуда магнітного ланцюга оцінюється за допомогою зворотного зв'язку, що виключає вплив опору статора на малих швидкостях; а вихідна напруга та струм замкнуті-для підвищення точності та стабільності динаміки. Однак схема керування має більше ланок і не вводить регулювання крутного моменту, тому продуктивність системи принципово не покращується.
Метод векторного керування (ВК).
Практика керування частотою векторного керування полягає в перетворенні струмів статора Ia, Ib, Ic асинхронного двигуна в три-фазній системі координат у струми змінного струму Ia1Ib1 у дво-фазній стаціонарній системі координат за допомогою три-фазної - дво-фазної трансформації та потім через поворотне перетворення відповідно до орієнтації магнітного поля ротора, що еквівалентно постійним струмам Im1, It1 у синхронній обертовій системі координат (Im1 еквівалентно (Im1 еквівалентно струму збудження двигуна постійного струму; It1 еквівалентно струму якоря, який пропорційний крутному моменту), а потім імітуйте метод керування двигуном постійного струму, щоб отримати керування кількість двигуна постійного струму та усвідомити керування асинхронним двигуном після відповідного зворотного перетворення координат. По суті, двигун змінного струму еквівалентний двигуну постійного струму, і дві складові швидкості та магнітного поля контролюються незалежно. Керуючи магнітним ланцюгом ротора, а потім розкладаючи струм статора, щоб отримати крутний момент і компоненти магнітного поля, за допомогою перетворення координат реалізуйте ортогональне або розв’язане керування. Пропонований вектор управління метод має епохальне-значення. Однак у практичних застосуваннях магнітний ланцюг ротора важко точно спостерігати, характеристики системи значною мірою залежать від параметрів двигуна, а векторне перетворення обертання, що використовується в процесі керування еквівалентним двигуном постійного струму, є більш складним, що ускладнює фактичний ефект керування для досягнення результатів ідеального аналізу.
Метод прямого контролю крутного моменту (DTC).
У 1985 році професор ДеПенброк з Рурського університету в Німеччині вперше запропонував технологію перетворення частоти прямого керування крутним моментом. Ця технологія значною мірою усунула недоліки вищезазначеного векторного керування та була швидко розроблена завдяки новим ідеям керування, лаконічній і чіткій структурі системи та чудовим динамічним і статичним характеристикам. Наразі ця технологія успішно застосована для високо-потужних приводів змінного струму для тяги електровозів. Пряме керування крутним моментом аналізує математичну модель двигуна змінного струму безпосередньо в системі координат статора для керування магнітним ланцюгом і крутним моментом двигуна. Не потрібно прирівнювати двигун змінного струму до двигуна постійного струму, таким чином усуваючи багато складних обчислень у векторному перетворенні обертання; йому не потрібно імітувати керування двигуном постійного струму, а також не потрібно спрощувати математичну модель двигуна змінного струму для роз’єднання.
Матричний AC-Метод керування AC
Інвертор VVVF, інвертор з векторним керуванням і інвертор із прямим керуванням обертовим моментом — це всі типи інверторів змінного струму-DC-. Їхніми загальними недоліками є низький коефіцієнт вхідної потужності, високі гармонічні струми, потреба в великих накопичувальних конденсаторах у ланцюзі постійного струму, а відновлювана енергія не може повертатися в мережу, тобто робота в чотирьох-квадрантах неможлива. З цієї причини з’явився матричний інвертор AC-AC. Оскільки матричний інвертор змінного струму-змінного струму усуває проміжну ланку постійного струму, таким чином усуваючи великі розміри, дорогі електролітичні конденсатори. Він може реалізувати коефіцієнт потужності l, вхідний струм є синусоїдальним і може працювати в чотирьох квадрантах, щільність потужності системи велика. Технологія ще не є зрілою, але все ще приваблює багатьох вчених до глибокого вивчення. Його суть полягає не в опосередкованому управлінні струмом, магнітним ланцюгом та іншими величинами, а в прямій реалізації крутного моменту як керованої величини. Конкретні методи:
--Керування магнітним ланцюгом статора для впровадження спостерігача магнітного ланцюга статора для реалізації методу без датчика швидкості;
-- Автоматична ідентифікація (ID) спирається на точну математичну модель двигуна для автоматичного визначення параметрів двигуна;
--Обчислити фактичне значення, що відповідає опору статора, взаємній індуктивності, коефіцієнту магнітного насичення, інерції тощо. Обчислити фактичний крутний момент, магнітний ланцюг статора, швидкість ротора для керування в реальному часі;
--Реалізуйте діапазон-діапазон керування для генерації ШІМ-сигналів відповідно до діапазонно-діапазонного керування магнітним ланцюгом і крутним моментом для керування станом перемикання інвертора.
Матричний інвертор AC-AC має швидку реакцію крутного моменту (<2 мс), високу точність швидкості (±2%, без зворотного зв’язку PG), високу точність крутного моменту (＜+3%); він також має високий пусковий крутний момент і високу точність крутного моменту, особливо на низьких швидкостях (включаючи 0 швидкостей), він може видавати 150%-200% крутного моменту.