Frekvenčni pretvornik - vrste, princip delovanja, povezovalne sheme

Rotor katerega koli elektromotorja poganjajo sile, ki jih povzroča vrteče se elektromagnetno polje znotraj navitja statorja. Njegovo hitrost običajno določa industrijska frekvenca električnega omrežja.

Njegova standardna vrednost 50 hercev pomeni petdeset nihajnih obdobij v eni sekundi. V eni minuti se njihovo število poveča za 60-krat in je 50×60 = 3000 obratov. Rotor se pod vplivom uporabljenega elektromagnetnega polja zavrti enako število krat.

Če spremenite vrednost omrežne frekvence, ki se nanaša na stator, lahko prilagodite hitrost vrtenja rotorja in nanj priključenega pogona. To načelo je osnova krmiljenja elektromotorjev.

Vrste frekvenčnih pretvornikov

Po zasnovi so frekvenčni pretvorniki:

1. indukcijski tip;

2. elektronski.

Proizvaja asinhrone motorje po shemi s faznim rotorjem in se zaženejo v generatorskem načinu, so predstavniki prve vrste. Med delovanjem imajo nizko učinkovitost in je značilna nizka učinkovitost.Zato niso našli široke uporabe v proizvodnji in se uporabljajo zelo redko.

Metoda elektronske pretvorbe frekvence omogoča gladko regulacijo hitrosti tako asinhronih kot sinhronih strojev. V tem primeru se lahko uporabi eno od dveh načel nadzora:

1. Glede na vnaprej določeno karakteristiko odvisnosti hitrosti vrtenja od frekvence (V / f);

2. metoda vektorske kontrole.

Prva metoda je najenostavnejša in manj popolna, druga pa se uporablja za natančen nadzor hitrosti vrtenja kritične industrijske opreme.

Značilnosti vektorskega krmiljenja frekvenčne pretvorbe

Razlika med to metodo je interakcija, vpliv krmilne naprave pretvornika na "prostorski vektor" magnetnega pretoka, ki se vrti s frekvenco rotorskega polja.

Algoritmi za delovanje pretvornikov po tem principu so ustvarjeni na dva načina:

1. krmiljenje brez senzorjev;

2. regulacija pretoka.

Prva metoda temelji na določanju določene odvisnosti od menjave zaporedij modulacija širine impulza (PWM) pretvornik za prednastavljene algoritme. V tem primeru se amplituda in frekvenca izhodne napetosti pretvornika nadzirata z drsnim tokom in obremenitvijo, vendar brez uporabe povratne informacije o hitrosti rotorja.

Ta metoda se uporablja pri krmiljenju več elektromotorjev, povezanih vzporedno s frekvenčnim pretvornikom.Nadzor pretoka vključuje spremljanje delovnih tokov znotraj motorja z njihovo razgradnjo na aktivne in reaktivne komponente ter prilagajanje delovanja pretvornika za nastavitev amplitude, frekvence in kota za vektorje izhodne napetosti.

To izboljša natančnost motorja in poveča meje njegove nastavitve. Uporaba krmiljenja pretoka razširja zmožnosti pogonov, ki delujejo pri nizkih hitrostih z velikimi dinamičnimi obremenitvami, kot so dvigala žerjavov ali industrijski stroji za navijanje.

Uporaba vektorske tehnologije omogoča implementacijo dinamičnega nadzora navora trifazni asinhroni motorji. 

Enakovredno vezje

Osnovno poenostavljeno električno vezje indukcijskega motorja lahko predstavimo na naslednji način.

Na statorska navitja, ki imajo aktivni upor R1 in induktivni upor X1, se napaja napetost u1. Ta, ki premaga upor zračne reže Xv, se pretvori v navitje rotorja in v njem povzroči tok, ki premaga njegov upor.

Ekvivalentno vezje vektorskega vezja

Njegova konstrukcija pomaga razumeti procese, ki potekajo v indukcijskem motorju.

Energija statorskega toka je razdeljena na dva dela:

• iµ — pregradna stena, ki tvori tok;

• iw — komponenta, ki ustvarja moment.

V tem primeru ima rotor od zdrsa odvisen aktivni upor R2 / s.

Za krmiljenje brez senzorja se meri naslednje:

• napetost u1;

• tok i1.

Glede na njihove vrednosti izračunajo:

• iµ — komponenta toka, ki tvori tok;

• iw — navor, ki ustvarja vrednost.

Algoritem izračuna sedaj vključuje elektronsko ekvivalentno vezje indukcijskega motorja s tokovnimi regulatorji, ki upošteva pogoje nasičenja elektromagnetnega polja in izgube magnetne energije v jeklu.

Obe komponenti tokovnih vektorjev, različni po kotu in amplitudi, se vrtita skupaj s koordinatnim sistemom rotorja in postaneta stacionarni orientacijski sistem statorja.

Po tem principu se parametri frekvenčnega pretvornika prilagajajo glede na obremenitev indukcijskega motorja.

Načelo delovanja frekvenčnega pretvornika

Ta naprava, imenovana tudi inverter, temelji na dvojni spremembi valovne oblike omrežnega napajanja.

Na začetku se industrijska napetost napaja v usmernik z močnimi diodami, ki odstranijo sinusne harmonike, vendar pustijo valovanje signala. Za njihovo odstranitev je predvidena kondenzatorska baterija z induktivnostjo (LC-filter), ki usmerjeni napetosti zagotavlja stabilno, zglajeno obliko.

Signal gre nato na vhod frekvenčnega pretvornika, ki je trifazno mostično vezje šestih močnostni tranzistorji Serije IGBT ali MOSFET z zaščitnimi diodami za nasprotno polarnost napetosti. Prej uporabljeni tiristorji za te namene nimajo zadostne hitrosti in delujejo z velikimi motnjami.

Za vklop "zavornega" načina motorja je mogoče v vezje namestiti nadzorovan tranzistor z močnim uporom, ki odvaja energijo. Ta tehnika omogoča, da se napetost, ki jo ustvari motor, odstrani, da se filtrirni kondenzatorji zaščitijo pred prenapolnjenostjo in poškodbami.

Metoda krmiljenja vektorske frekvence pretvornika vam omogoča ustvarjanje vezij, ki izvajajo samodejno krmiljenje signala iz sistemov ACS. Za to se uporablja sistem upravljanja:

1. amplituda;

2. PWM (simulacija širine impulza).

Metoda krmiljenja amplitude temelji na spreminjanju vhodne napetosti, PWM pa na algoritmu za preklapljanje močnostnih tranzistorjev pri konstantni vhodni napetosti.

Pri regulaciji PWM se ustvari obdobje modulacije signala, ko je navitje statorja v strogem vrstnem redu priključeno na pozitivne in negativne sponke usmernika.

Ker je taktna frekvenca generatorja precej visoka, se v navitju elektromotorja, ki ima induktivni upor, zgladijo na normalni sinusni val.

Metode krmiljenja PWM povečajo odpravo izgub energije in zagotavljajo visoko učinkovitost pretvorbe zaradi hkratnega nadzora frekvence in amplitude. Postali so na voljo zaradi razvoja tehnologij krmiljenja tiristorjev z zaklenjenim tiristorjem serije GTO ali bipolarnih znamk tranzistorjev IGBT z izoliranimi vrati.

Načela njihove vključitve za krmiljenje trifaznega motorja so prikazana na fotografiji.

Vsak od šestih IGBT-jev je v antiparalelnem vezju povezan z lastno diodo za povratni tok. V tem primeru aktivni tok indukcijskega motorja poteka skozi napajalni tokokrog vsakega tranzistorja, njegova reaktivna komponenta pa je usmerjena skozi diode.

Da bi odpravili vpliv zunanjega električnega šuma na delovanje pretvornika in motorja, lahko vezje frekvenčnega pretvornika vključuje filter za zmanjšanje hrupalikvidacija:

• radijske motnje;

• električne razelektritve, ki jih povzroča delujoča oprema.

Te signalizira krmilnik, med motorjem in izhodnimi sponkami pretvornika pa se uporablja oklopljeno ožičenje za zmanjšanje udarcev.

Za izboljšanje natančnosti delovanja asinhronih motorjev krmilno vezje frekvenčnih pretvornikov vključuje:

• komunikacijski vhod z naprednimi zmožnostmi vmesnika;

• vgrajen krmilnik;

• pomnilniške kartice;

• programska oprema;

• informativni LED zaslon, ki prikazuje glavne izhodne parametre;

• zavorni sekalnik in vgrajen EMC filter;

• sistem hlajenja kroga, ki temelji na pihanju z ventilatorji povečanega vira;

• funkcija ogrevanja motorja z enosmernim tokom in nekatere druge možnosti.

Sheme delovanja

Frekvenčni pretvorniki so zasnovani za delo z enofaznimi ali trifaznimi omrežji. Če pa obstajajo industrijski viri enosmernega toka z napetostjo 220 voltov, se lahko iz njih napajajo pretvorniki.

Trifazni modeli so zasnovani za omrežno napetost 380 voltov in jo napajajo na električni motor. Enofazni pretvorniki se napajajo z 220 volti in oddajajo tri faze, porazdeljene v času.

Shema povezave frekvenčnega pretvornika z motorjem se lahko izvede v skladu s shemami:

• zvezde;

• trikotnik.

Navitja motorja so sestavljena v "zvezdo" za pretvornik, ki ga napaja trifazno omrežje 380 voltov.

Po shemi "delta" so navitja motorja sestavljena, ko je pretvornik moči priključen na enofazno 220-voltno omrežje.

Pri izbiri načina priključitve elektromotorja na frekvenčni pretvornik morate biti pozorni na razmerje moči, ki ga lahko delujoči motor ustvari v vseh načinih, vključno s počasnim, obremenjenim zagonom, z zmogljivostmi pretvornika.

Nemogoče je nenehno preobremeniti frekvenčni pretvornik, majhna rezerva njegove izhodne moči pa bo zagotovila njegovo dolgoročno in brezhibno delovanje.