Принцип дії управління і регулювання заснований на залежності швидкості обертання магнітного поля від частоти живильної напруги.

Асинхронні електродвигуни широко використовуються як приводи промислового обладнання, насосних агрегатів, регулювальної арматури та інших пристроїв. Основним недоліком цих електричних машин є постійна швидкість обертання, великі пускові струми. За допомогою частотних перетворювачів можливо усунути ці недоліки й істотно розширити сферу застосування електродвигунів змінного струму.

Види перетворювачів частоти

Частотні перетворювачі розрізняються за конструкцією, принципом дії, способом управління. За конструктивним виконанням перетворювачі частоти поділяють на дві великі групи: 

Електромашинні частотники.

Електромашинні або індукційні перетворювачі частоти являють собою двигуни змінного струму, включені в режим генератора. Застосовують такі електротехнічні пристрої відносно рідко, в умовах, де ускладнене або неможливе застосування електронних частотних перетворювачів.

Електронні перетворювачі.

Напівпровідникові ЧП складаються з силової частини, виконаної на транзисторах або тиристорах, і схеми управління на базі мікроконтролерів. Це електротехнічне обладнання придатне для трифазних і однофазних приводів будь-якого призначення. Розрізняють ЧП з безпосереднім зв'язком з мережею живлення і пристрої з проміжною ланкою постійного струму.

Безпосередні перетворювачі частоти

Такі частотники побудовані на базі швидкодіючих тиристорних перетворювачів, увімкнених за мостовими, перехресними, нульовими і зустрічно-паралельними схемами.

Пристрої такого типу вмикаються безпосередньо в мережу живлення.

Плюси безпосередніх перетворювачів частоти:

• Можливістю рекуперації електроенергії в мережу під час роботи в режимі гальмування двигуна. Безпосереднє включення забезпечує двосторонній обмін електрикою.
• Високим к.к.д. завдяки одноразовому перетворенню частоти.
• ожливістю нарощування потужності за рахунок приєднання додаткових перетворювачів.
• ироким діапазоном низьких частот. Безпосередні перетворювачі забезпечують стабільну роботу приводу на малих швидкостях. 

Мінуси безпосередніх перетворювачів частоти:

• Апроксимована форма вихідної напруги з наявністю постійних складових і субгармонік. Така форма змінної напруги на виході пристрою спричиняє додаткове нагрівання двигуна, знижує момент, створює перешкоди.
• Частота напруги на виході перетворювача не перевищує аналогічну характеристику мережевої напруги. Таким чином, за допомогою цих пристроїв можна тільки знижувати швидкість обертання двигунів.
• Основна сфера безпосередніх перетворювачів - електроприводи на базі асинхронних і синхронних двигунів великої та середньої потужності. 

Перетворювачі частоти з проміжною ланкою постійного струму.

Частотні перетворювачі цього типу виконані на базі схеми подвійного перетворення. Живильна мережева напруга перетворюється на постійну, потім згладжується й інвертується в змінну вихідну напругу заданої частоти. 

Плюси перетворювачів з проміжною ланкою постійного струму:

• Можливістю отримання вихідної напруги з частотою як вищою, так і нижчою за аналогічний параметр мережі живлення. Частотники на базі схеми подвійного перетворення використовують для високо-, середньо- і низькошвидкісних електроприводів.
• Чистою синусоїдальною формою напруги на виході. Схема перетворювача дає змогу отримувати змінну напругу з мінімальним відхиленням від синусоїдальної форми.
• Можливістю побудови простих і складних силових і керівних схем для приводів з різними вимогами до швидкості реагування, діапазону швидкостей.
• Можливістю адаптації до мереж постійного струму. Перетворювачі цього типу можна пристосувати для живлення від резервних і аварійних джерел постійного струму без додаткових пристроїв. Це дає змогу застосовувати такі частотники в приводах відповідального обладнання з резервними джерелами електроенергії.
• Різноманітністю алгоритмів керування. Перетворювачі з ланкою постійного струму можна запрограмувати й адаптувати практично до всіх електроприводів, зокрема й претензійних, де потрібне особливо точне регулювання швидкості та моменту. 

Мінуси перетворювачів з проміжною ланкою постійного струму:

Відносно велику масу і габарити, що зумовлено наявністю випрямного, фільтрувального та інверторного блоків.
Підвищені втрати потужності. Схема подвійного перетворення дещо зменшує загальний к.к.д.

Будова перетворювачів із проміжною ланкою постійного струму

Складаються такі перетворювачі з декількох основних блоків 

• Випрямляча. Для ЧП використовуються діодні та тиристорні перетворювачі постійного струму. Перші вирізняються високою якістю постійної напруги практично з повною відсутністю пульсації, низькою вартістю і надійністю. Однак діодні випрямлячі не дають змоги реалізувати можливість рекуперації електроенергії в мережу під час гальмування двигуна. Випрямлячі на тиристорах забезпечують можливість протікання струму в обох напрямках і дають змогу відключати перетворювач від мережі без додаткової комутаційної апаратури.
• Фільтра. Вихідна напруга тиристорних керованих випрямлячів має значну пульсацію. Для її згладжування використовують реактори, ємнісні або індуктивно-ємнісні фільтри.
• Інвертора. У ЧП використовують інвертори напруги і струму. Останні забезпечують рекуперацію електроенергії в мережу і застосовуються для управління електричними машинами з частим пуском, реверсом і зупинкою, наприклад, крановими двигунами.
• Частотники на базі інверторів напруги видають на виході напругу форми "чистий синус". Завдяки цьому перетворювачі такого типу набули найбільш широкого поширення.
• Мікропроцесора. Цей блок здійснює управління вхідним випрямлячем, приймання та оброблення сигналів з датчиків, взаємодію з автоматизованою системою вищого рівня, запис і зберігання інформації про події, формує вихідну напругу ЧП відповідної частоти. А також виконує функції захисту від перевантажень, обриву фази та інших аварійних і ненормальних режимів роботи.

Способи керування перетворювачем

За принципом управління розрізняють 2 основні види частотних перетворювачів:

ЧП зі скалярним керуванням

Частотники цього типу видають на виході напругу певної частоти й амплітуди для підтримки певного магнітного потоку в обмотках статора. Частотники з таким принципом регулювання вирізняються відносно низькою вартістю, простотою конструкції. Нижня межа регулювання швидкості становить близько 10 % від номінальної частоти обертання. Їх можна використовувати для керування одразу кількома двигунами. Скалярні ЧП використовують для приводів насосних агрегатів, вентиляторів та інших пристроїв і обладнання, де не потрібно підтримувати швидкість обертання ротора незалежно від навантаження.

ЧП із векторним керуванням

Мікропроцесорні пристрої перетворювачів з векторним керуванням автоматично обчислюють взаємодію магнітних полів статора і ротора. ЧП такого типу забезпечують постійну частоту обертання ротора незалежно від навантаження. Їх використовують для обладнання, де необхідно підтримувати необхідний момент сили за низьких швидкостей, високу швидкодію і точність регулювання. Застосування векторних ЧП дає змогу регулювати частоту обертання, задавати необхідний момент на валу. 

ЧП з векторним керуванням поділяються на перетворювачі бездатчикового типу і пристрої зі зворотним зв'язком за швидкістю. Останні використовуються для приводів із широким діапазоном регулювання швидкості до 1:1000, необхідності позиціонування точного положення вала, регулювання моменту за низьких швидкостей, точної підтримки частоти обертання, пуску двигуна з номінальним моментом. Перетворювачі без датчика швидкості застосовують для приводів із нижчими вимогами.

Режими керування частотними перетворювачами

У більшості моделей сучасних частотних перетворювачів реалізовано можливість керування в декількох режимах: 

1) Ручне керування.
Пуск і зупинка електродвигуна здійснюються з панелі або пульта керування частотника. При цьому перетворювач здійснює регулювання частоти обертання і зупинку при виникненні аварійних ситуацій автоматично.

2) Зовнішнє керування.
ЧП з підтримкою інтерфейсів передавання даних можна під'єднувати до віддаленого ПК для контролю поточних параметрів і завдання режимів роботи приводу.

3) Керування за дискретними входами або "сухими контактами".
У такому режимі ЧП є виконавчим механізмом зовнішньої системи керування.

4) Керування за подіями.
Деякі моделі ЧП дають змогу запрограмувати час пуску або зупинки, роботу двигуна в іншому режимі. Перетворювачі такого типу застосовують для повністю або частково автоматизованого технологічного обладнання.

Переваги частотних перетворювачів.

Основні переваги використання частотних перетворювачів:

1) Економія електроенергії.
Застосування ЧП дає змогу знизити пускові струми і регулювати споживану потужність двигуна залежно від фактичного навантаження.

2) Збільшення терміну служби промислового обладнання.
Плавний пуск і регулювання швидкості обертання моменту на валу дають змогу збільшити міжремонтний інтервал і продовжити термін експлуатації електродвигунів.
Можливість відмовитися від редукторів, дросельних засувок, електромагнітних гальм та іншої регулювальної апаратури, що знижує надійність і збільшує енергоспоживання обладнання.

3) Відсутність необхідності проводити технічне обслуговування.
ПП не мають рухомих частин, які потребують регулярного чищення і змащення.

4) Можливість віддаленого управління і контролю параметрів обладнання з електроприводом.
У багатьох частотниках реалізовано можливість підключення віддалених пристроїв телеметрії та телемеханіки, вони можуть вбудовуватися в багаторівневі системи автоматизації.

5) Широкий діапазон потужності двигунів.
Частотні перетворювачі встановлюють як на однофазні конденсаторні двигуни потужністю менше 1 кВт, так і на синхронні електромашини потужністю в десятки МВт.

6) Захист електродвигуна від аварій і аномальних режимів роботи.
ЧП комплектують захистом від перевантажень, коротких замикань, зникнення фаз. Перетворювачі також забезпечують перезапуск у разі відновлення подачі електроенергії після її відключення.
Можливість безступінчатого точного регулювання частоти обертання без втрат потужності, що неможливо при використанні редукторів.

7) Зниження рівня шуму працюючого двигуна.
Можливість заміни двигунів постійного струму асинхронними електричними машинами з частотними регуляторами. Для обладнання, що вимагає регулювання моменту і швидкості обертання, часто використовуються двигуни постійного струму, швидкість обертання яких пропорційна поданій напрузі. Такі електричні машини коштують дорожче за асинхронні і вимагають дорогих промислових випрямлячів. Заміна двигунів постійного струму на асинхронні електромашини з частотним керуванням дає хороший економічний ефект.

Сфери застосування

Частотно-регульовані приводи застосовують:

• Для кранів і вантажопідйомних машин. Кранові двигуни працюють у режимі частих пусків, зупинок, навантаження, що змінюється. ЧП забезпечують відсутність ривків і розгойдування вантажу під час пусків і зупинок, зупинку крана точно в потрібному місці, знижують нагрівання електродвигунів і максимальний пусковий момент.
• Для приводу нагнітальних вентиляторів у котельнях і димососів. Загальне управління з плавним регулюванням дуттьових і витяжних вентиляторів дає змогу автоматизувати процес горіння і забезпечити максимальний к.к.д. котельних агрегатів.
• Для транспортерів, прокатних станів, конвеєрів, ліфтів. ЧП регулює швидкість переміщення транспортного обладнання без ривків і ударів, що збільшує термін служби механічних вузлів.Для насосних агрегатів. ЧП дають змогу обійтися без засувок і вентилів, що регулюють тиск і продуктивність, та істотно збільшити загальний к.к.д. системи водоподачі.
• Для електродвигунів верстатів. Використання перетворювача частоти замість коробки передач дає змогу плавно збільшувати або зменшувати частоту обертання робочого органу верстата, здійснювати реверс. ЧП широко використовуються для верстатів з ЧПУ і високоточного промислового обладнання. 

Впровадження частотно-регульованих приводів дає значний економічний ефект. Зниження витрат досягається завдяки скороченню споживання електроенергії, витрат на ремонт і ТО двигунів і обладнання, можливості використання дешевших асинхронних електродвигунів з короткозамкненим ротором, а також скорочення інших виробничих витрат. Середній термін окупності частотних перетворювачів становить від 3-х місяців до трьох років.