Преобразователи частоты состоят из трех основных секций: выпрямителя, который преобразует подаваемое переменное напряжение в постоянное; шины постоянного тока, которая сохраняет напряжение постоянного тока; и инвертора, который преобразует мощность постоянного тока обратно в переменный ток с напряжением и частотой, требуемыми двигателем.

6-пульсный выпрямитель и его нелинейность

В наиболее распространенных и простейших конструкциях выпрямителей используются диоды, при этом для каждой фазы питания требуются два диода, один из которых пропускает ток при отрицательном напряжении, а другой — при положительном. Таким образом, для трехфазной системы требуется шесть диодов, составляющих выпрямитель. Эту конструкцию обычно называют 6-пульсным выпрямителем, поскольку она потребляет ток от источника переменного тока шестью импульсами. И поскольку ток, потребляемый от источника питания, не имеет плавной синусоидальной формы, ЧРП считается нелинейной нагрузкой.

Такое нелинейное потребление тока может привести к искажению подаваемого переменного тока, вызывая проблемы с двигателями и другим электронным оборудованием.Величина искажений зависит от мощности цепи питания. Если выпрямитель составляет большой процент от доступной мощности источника питания, то искажения могут быть существенными.

Искажение может быть смоделировано в виде дополнительных сигналов напряжения, кратных основному напряжению (т.е. 50 Гц). Эти дополнительные сигналы начинаются с значений, кратных 5, но (для 3-фазных систем) пропускают все значения, кратные 3. Это известно как гармонические искажения, а для типичных систем с частотой 50 Гц — 5^я (250 Гц), 7^я (350 Гц), 11^я (550 Гц) и 13^я (650 Гц) наиболее распространены гармоники.

Измерение гармонических искажений называется общими гармоническими искажениями (THD).:

Где:

I_h = величина гармонической составляющей напряжения или гармонической составляющей тока.

I₁ = величина основной гармоники напряжения или основной гармоники тока

С 6-пульсным выпрямителем, описанным выше, 5^я и 7^я гармоники значительны, и часто требуется их фильтрация. Одним из способов уменьшить THD в приводе переменного тока является использование 12-, 18- или даже 24-пульсного выпрямителя.

Гармонический ток в двигателе увеличивает потери на гистерезис и вихревые токи. Эти потери повышают рабочую температуру двигателя, что может привести к снижению производительности и сокращению срока службы двигателя.

Увеличение количества импульсов выпрямления

12-пульсный выпрямитель использует два 6-пульсных выпрямителя параллельно (12 диодов) для питания общей шины постоянного тока. Трансформатор с одной первичной и двумя вторичными обмотками создает сдвиг фазы на 30 градусов между двумя формами сигналов тока, что устраняет 5^ю и 7^ю гармоники и снижает THD тока до 10-15 процентов. Недостатками 12-импульсного выпрямителя являются стоимость — из-за необходимости использования специального трансформатора — и занимаемая площадь.

Аналогично, 18-пульсный выпрямитель использует три 6-пульсных выпрямителя (18 диодов) и многофазный трансформатор с одной первичной обмоткой и тремя вторичными. Многочисленные обмотки смещают форму сигнала напряжения на 20 градусов. Это отменяет 5^ю, 7^ю , 11^ю, и 13^ю гармоники и обеспечивает ток THD в диапазоне 5 процентов. Но по мере усложнения трансформатора и добавления дополнительных выпрямителей стоимость и занимаемая площадь еще больше увеличиваются.

Для устранения практически всех гармоник требуется 24-пульсный выпрямитель, который состоит из двух параллельно работающих 12-пульсных выпрямителей и двух трехобмоточных трансформаторов. Трансформаторы обеспечивают смещение формы сигнала напряжения на 15 градусов, что подавляет большинство низкочастотных гармоник. Однако высокая стоимость 24-пульсного выпрямителя делает его практичным только для приводов очень высокой мощности или для больших систем с несколькими приводами.