Теорія частотного регулювання була розроблена ще в 30-х роках минулого століття. Однак тільки останні 20 років стала активно використовуватися в світі, а в країнах СНД досвід великої експлуатації таких пристроїв налічує близько 10 років. Таку перемогу частотно регульованого приводу над приводом постійного струму дозволила здійснити нова елементна база, а саме відносно недорогі IGBT транзистори (Insulated Gate Bipolar Transistor - біполярний транзистор з ізольованим затвором), розрахованих на струми до декількох кілоампер, напруга до декількох кіловольт і мають частоту комутації 30 кГц і вище.
Для кращого розуміння принципів, що лежать в основі електронних систем регулювання швидкості обертання, нагадаємо пристрій асинхронного електродвигуна з короткозамкненим ротором - найбільш масового, повсюдно застосовується типу електродвигуна. Досить сказати, що сумарний обсяг електроенергії, яка використовується для приведення в рух всіх приводів з асинхронними двигунами, становить понад 50% всієї споживаної електроенергії. Такий двигун має нерухомий статор з обмотками, що утворюють полюса, і рухливий короткозамкнений ротор. При додатку до статорні обмотки електродвигуна трифазного напруги статорними струмами, зсунутими відносно один одного на 120 градусів, формується обертове магнітне поле статора. Це поле індукує в роторі струми, які породжують власне поле ротора, яке обертається синхронно з полем статора і утворює загальний крутний потік двигуна. В результаті взаємодії струмів ротора з магнітним потоком виникають діючі на провідники ротора механічні сили і крутний електромагнітний момент. При цьому для створення моменту необхідно, щоб обмотки поле оберталося зі швидкістю вище частоти обертання ротора. Ця різниця в швидкості обертання називається ковзанням.
Швидкість ротора асинхронного електродвигуна можна регулювати зміною частоти напруги живлення, амплітуди напруги живлення, числа пар полюсів статора.
Математично принцип частотного методу регулювання швидкості асинхронного двигуна можна виразити формулою:
f1 - частота напруги живлення
ωo - кутова швидкість магнітного потоку стартера
P - кількість пар полюсів.
Цей спосіб забезпечує плавне регулювання швидкості в широкому діапазоні, а механічні характеристики мають високу жорсткість.
Регулювання швидкості при цьому не супроводжується збільшенням ковзання асинхронного двигуна, тому втрати потужності при регулюванні невеликі.
Для отримання високих енергетичних показників асинхронного двигуна - коефіцієнтівпотужності, корисної дії, перевантажувальної здатності - необхідно одночасно з частотою змінювати і напругу, що підводиться.
Структруная схема.
Існує два основних типи перетворювачів частоти: з безпосереднім зв'язком і з проміжним контуром постійного струму. У першому випадку вихідна напруга синусоїдальної форми формується з ділянок синусоїд перетворюється вхідної напруги. При цьому максимальне значення вихідної частоти принципово не може бути рівним частоті живильної мережі. Частота на виході перетворювача цього типу зазвичай лежить в діапазоні від 0 до 25-33 Гц. Перший спосіб зважаючи на свою обмеженість був витіснений перетворювачами частоти з проміжним контуром постійного струму, виконані на базі інверторів напруги.
Структурна схема такого перетворювача наведена на малюнку
Змінна напруга мережі перетворюється за допомогою діодного випрямляча, а потім згладжується в проміжній ланцюга індуктивно-ємнісним фільтром. І, нарешті, інвертор, вихідний каскад якого зазвичай виконується на основі IGBT-модулів, здійснює зворотне перетворення з постійного струму на змінний, забезпечуючи формування вихідного сигналу з необхідними значеннями напруги і частоти. Найбільш часто в інверторах застосовується метод високочастотної широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). У цьому випадку вихідний сигнал перетворювача являє собою послідовність імпульсів напруги постійної амплітуди і змінюється тривалості, яка на індуктивному навантаженні, якою є обмотка статора, формує струми синусоїдальної форми.
Типова схема силових каскадів інвертора на базі IGBT.
Типи навантажень.
Вимоги до електроприводу визначаються діапазоном необхідних швидкостей і типом навантаження. Залежність між швидкістю обертання і моментом опору неоднакова для навантажень різного типу:
Методи управління.
Залежно від характеру навантаження перетворювач частоти забезпечує різні режими управління електродвигуном, реалізуючи ту чи іншу залежність між швидкістю обертання електродвигуна і вихідним напругою.
Закон зміни напруги залежить від характеру моменту навантаження Mс. При постійному моменті навантаження Mс = const напруга на статорі повинно регулюватися пропорційно частоті:
Режим з лінійною залежністю між напругою і частотою реалізується найпростішими перетворювачами частоти для забезпечення постійного моменту навантаження і використовується для управління синхронними двигунами або двигунами, підключеними паралельно. Разом з тим при зменшенні частоти, починаючи з деякого значення, максимальний момент двигуна починає падати. Для підвищення моменту на низьких частотах в перетворювачах передбачається функція підвищення початкового значення вихідного напруги, яка використовується для компенсації падіння моменту для навантажень з постійним моментом або збільшення початкового моменту для навантажень з високим пусковим моментом, таких, наприклад, як промисловий міксер.
Для вентиляторного характеру моменту навантаження це стан має вигляд:
При моменті навантаження, назад пропорційному швидкості:
Таким чином, для плавного безступінчатого регулювання частоти обертання валу асинхронного електродвигуна, перетворювач частоти повинен забезпечувати одночасне регулювання частоти і напруги на статорі асинхронного двигуна.