Принцип работы и устройство частотного преобразователя с инвертором напряжения

Современный частотный преобразователь (ЧП) по схеме инвертора напряжения представляет собой двухзвенную систему преобразования.

Общая схема построения

Выпрямительный каскад – преобразует переменное сетевое напряжение в постоянное
Инверторный каскад – формирует трехфазное напряжение регулируемой частоты и амплитуды

Основные компоненты:

Трехфазный диодный выпрямитель
Фильтр звена постоянного тока (DC-шина)
IGBT-инвертор с ШИМ-модуляцией
Система управления и защиты

Все работы с преобразователем должны проводиться только при полном отключении от сети. Даже после отключения в конденсаторах DC-шины может сохраняться опасное напряжение.

Выпрямительный каскад

Принцип работы

Трехфазный выпрямитель по схеме Ларионова (6-пульсный) обеспечивает:

Коэффициент пульсаций: 4-5%
Среднее значение выходного напряжения: 1,35×Uвх
Частоту пульсаций: 300 Гц (для сети 50 Гц)

Проблемы и решения

Проблема	Решение
Бросок тока при включении	Схема плавного заряда с токоограничивающим резистором
Гармонические искажения	Установка сетевого дросселя
Обратные токи	Защитные диоды

Схема плавного заряда:

При отсутствии схемы плавного заряда первоначальный ток может в 20-40 раз превышать номинальный, что приводит к повреждению диодов.

Звено постоянного тока

Назначение конденсаторов

Сглаживание пульсаций (до 3-5%)
Накопление энергии для работы при провалах напряжения
Компенсация реактивной мощности инвертора

Конструктивные особенности

Последовательное включение: для сетей 400В – 2×400В конденсатора, для 690В – 3×400В
Альтернативы:
- Полипропиленовые конденсаторы (до 1500В)
- Танталовые конденсаторы (для компактных моделей)

Параметры выбора:

Где:

Pном – номинальная мощность
tрезерва – требуемое время работы при пропадании сети
ΔU – допустимое падение напряжения
Udc – напряжение DC-шины

Превышение рабочего напряжения всего на 10% сокращает срок службы электролитических конденсаторов в 2 раза.

Инверторный каскад

IGBT-транзисторы

Структура модуля:
- 6 ключей (3 фазы)
- Обратные диоды
- Драйверы управления
- Датчики температуры
Параметры коммутации:
- Частота ШИМ: 2-20 кГц
- Время переключения: 50-200 нс
- Потери при переключении: 1-3% от мощности

Алгоритмы ШИМ

Синусоидальная ШИМ – для стандартных применений
Векторное управление – для точного позиционирования
Оптимизированные методы (DPWM, SVM) – для снижения потерь

Сравнение методов:

Метод	КПД	Гармоники	Сложность
SPWM	96%	Высокие	Низкая
SVPWM	98%	Средние	Средняя
DPWM	99%	Низкие	Высокая

Частота ШИМ выше 16 кГц требует специальных мер по ЭМС-фильтрации из-за повышенных высокочастотных помех.

Система управления

Архитектура

Мастер-контроллер (DSP/FPGA):
- Генерация ШИМ-сигналов
- Реализация алгоритмов управления
- Диагностика и защита
Периферийные модули:
- АЦП для измерения токов/напряжений
- ЦАП для аналоговых выходов
- Цифровые интерфейсы (CAN, Ethernet)

Функции защиты

От превышения тока (≤1 мс)
От перегрева (термодатчики на радиаторах)
От перенапряжения/недонапряжения DC-шины
От асимметрии фаз

Тенденции развития

Широкозонные полупроводники (SiC, GaN):
- Частота коммутации до 100 кГц
- Температура работы до 200°C
Активные выпрямители:
- Коэффициент мощности ≈1
- Регенерация энергии в сеть
Цифровые двойники:
- Прогнозирование остаточного ресурса
- Адаптивное управление

Перспективные решения

Модульные многоуровневые инверторы
Прямое жидкостное охлаждение
Встроенные системы ИИ-оптимизации

Современные частотные преобразователи с инверторами напряжения представляют сложные электромеханические системы, где каждый компонент требует тщательного расчета. Понимание принципов работы каждого каскада позволяет:

Оптимизировать выбор оборудования
Повысить надежность эксплуатации
Снизить эксплуатационные затраты

Рекомендации по эксплуатации:

Регулярный контроль состояния конденсаторов DC-шины
Мониторинг температуры IGBT-модулей
Обновление ПО контроллера
Проверка состояния охлаждающей системы

Подобрать решение

Оставьте заявку. Наши специалисты ответят на любой ваш вопрос