Vrste frekvenčnih pretvornikov

Naprave, imenovane frekvenčni pretvorniki, se uporabljajo za pretvorbo omrežne izmenične napetosti z industrijsko frekvenco 50/60 Hz v izmenično napetost druge frekvence. Izhodna frekvenca frekvenčnega pretvornika se lahko zelo spreminja, običajno od 0,5 do 400 Hz. Višje frekvence so za sodobne motorje nesprejemljive zaradi narave materialov, iz katerih so izdelana jedra statorja in rotorja.

Vse vrste frekvenčni pretvornik vključuje dva glavna dela: nadzor in napajanje. Krmilni del je vezje digitalnega mikrovezja, ki zagotavlja krmiljenje stikal napajalne enote, služi pa tudi za nadzor, diagnosticiranje in zaščito gnanega pogona in samega pretvornika.

Napajalni del neposredno vključuje stikala - močne tranzistorje ali tiristorje. V tem primeru so frekvenčni pretvorniki dveh vrst: s poudarjenim odsekom enosmernega toka ali z neposredno komunikacijo. Pretvorniki z neposredno sklopko imajo izkoristek do 98 % in lahko delujejo pri znatnih napetostih in tokovih.Na splošno ima vsaka od obeh omenjenih vrst frekvenčnih pretvornikov svoje prednosti in slabosti, zato je morda smiselno uporabiti enega ali drugega za različne aplikacije.

Neposredna komunikacija

Prvi so se na trgu pojavili frekvenčni pretvorniki z neposredno galvansko povezavo, njihov močnostni del je krmiljen tiristorski usmernik, v katerem se izmenično odpirajo določene skupine zapornih tiristorjev, navitja statorja pa se izmenično povezujejo v omrežje. To pomeni, da je na koncu napetost, ki se dovaja statorju, oblikovana kot deli omrežnega sinusnega vala, ki se zaporedno napaja na navitja.

Sinusna napetost se na izhodu pretvori v žagasto napetost. Frekvenca je nižja od omrežne - od 0,5 do približno 40 Hz. Očitno je obseg te vrste pretvornika omejen. Tiristorji brez zaklepanja zahtevajo bolj zapletene krmilne sheme, kar poveča stroške teh naprav.

Deli izhodnega sinusnega vala ustvarjajo višje harmonike, to pa so dodatne izgube in pregrevanje motorja z zmanjšanjem navora gredi, poleg tega pa v omrežje vstopajo nešibke motnje. Če se uporabljajo kompenzacijske naprave, se stroški spet povečajo, dimenzije in teža se povečajo, učinkovitost pretvornika pa se zmanjša.

Prednosti frekvenčnih pretvornikov z neposredno galvansko sklopko vključujejo:

• možnost neprekinjenega delovanja s pomembnimi napetostmi in tokovi;
• odpornost proti impulzni preobremenitvi;
• Učinkovitost do 98%;
• uporabnost v visokonapetostnih tokokrogih od 3 do 10 kV in celo višje.

V tem primeru so visokonapetostni frekvenčni pretvorniki seveda dražji od nizkonapetostnih. Prej so jih uporabljali tam, kjer je bilo potrebno - in sicer neposredno sklopljene tiristorske pretvornike.

Z označeno povezavo DC

Pri sodobnih pogonih se pogosteje uporabljajo frekvenčni pretvorniki s poudarjenim enosmernim blokom za regulacijo frekvence. Tukaj se pretvorba izvede v dveh korakih. Najprej se vhodna omrežna napetost popravi in ​​filtrira, zgladi, nato se napaja v pretvornik, kjer se pretvori v izmenični tok z zahtevano frekvenco in napetostjo z zahtevano amplitudo.

Učinkovitost takšne dvojne pretvorbe se zmanjša in dimenzije naprave postanejo nekoliko večje od pretvornikov z neposredno električno povezavo. Sinusni val tukaj ustvarja avtonomni pretvornik toka in napetosti.

V frekvenčnih pretvornikih enosmernega vmesnega toka so zaskočni tiristorji oz IGBT tranzistorji… Zaklepni tiristorji so bili uporabljeni predvsem v prvih izdelanih tovrstnih frekvenčnih pretvornikih, nato pa so s pojavom IGBT tranzistorjev na trgu med nizkonapetostnimi napravami začeli prevladovati pretvorniki na osnovi teh tranzistorjev.

Za vklop tiristorja zadostuje kratek impulz, ki se nanaša na krmilno elektrodo, za izklop pa je potrebno na tiristor uporabiti povratno napetost ali ponastaviti preklopni tok na nič. Potrebna je posebna krmilna shema - kompleksna in dimenzionalna. Bipolarni IGBT tranzistorji imajo bolj prilagodljiv nadzor, manjšo porabo energije in precej visoko hitrost.

Iz tega razloga so frekvenčni pretvorniki, ki temeljijo na tranzistorjih IGBT, omogočili razširitev obsega hitrosti krmiljenja pogona: asinhroni motorji z vektorskim krmiljenjem, ki temeljijo na tranzistorjih IGBT, lahko varno delujejo pri nizkih hitrostih brez potrebe po povratnih senzorjih.

Mikroprocesorji, povezani s hitrimi tranzistorji, proizvajajo manj višjih harmonikov na izhodu kot tiristorski pretvorniki. Posledično se izkaže, da so izgube manjše, navitja in magnetno vezje se manj pregrevajo, pulzacije rotorja pri nizkih frekvencah se zmanjšajo. Manj izgub v kondenzatorskih bankah, v transformatorjih - življenjska doba teh elementov se poveča. Pri delu je manj napak.

Če primerjamo tiristorski pretvornik s tranzistorskim pretvornikom z enako izhodno močjo, potem bo drugi tehtal manj, bo manjši po velikosti, njegovo delovanje pa bo bolj zanesljivo in enotno. Modularna zasnova IGBT stikal omogoča učinkovitejše odvajanje toplote in zahteva manj prostora za montažo močnostnih elementov, poleg tega pa so modularna stikala bolje zaščitena pred stikalnimi prenapetostmi, torej je manjša verjetnost poškodb.

Frekvenčni pretvorniki na osnovi IGBT-jev so dražji, ker so napajalni moduli zapletene elektronske komponente za izdelavo. Vendar pa je cena upravičena s kakovostjo. Hkrati statistika kaže težnjo k zniževanju cen IGBT tranzistorjev vsako leto.

Načelo delovanja frekvenčnega pretvornika IGBT

Slika prikazuje diagram frekvenčnega pretvornika in grafe tokov in napetosti vsakega od elementov. Na usmernik se napaja omrežna napetost konstantne amplitude in frekvence, ki je lahko krmiljena ali nekrmiljena. Po usmerniku je kondenzator - kapacitivni filter. Ta dva elementa - usmernik in kondenzator - tvorita enosmerno enoto.

Iz filtra se zdaj konstantna napetost napaja v avtonomni impulzni pretvornik, v katerem delujejo IGBT tranzistorji. Diagram prikazuje tipično rešitev za sodobne frekvenčne pretvornike. Enosmerna napetost se pretvori v trifazni impulz z nastavljivo frekvenco in amplitudo.

Krmilni sistem daje pravočasne signale vsakemu od ključev, ustrezne tuljave pa se zaporedno preklopijo na trajno povezavo. V tem primeru je trajanje povezovanja tuljav s povezavo modulirano na sinus. Torej, v osrednjem delu polčasa je širina impulza največja, na robovih pa najmanjša. Tukaj se dogaja napetost modulacije širine impulza na navitjih statorja motorja. Frekvenca PWM običajno doseže 15 kHz, same tuljave pa delujejo kot induktivni filter, zaradi česar so tokovi skozi njih skoraj sinusni.

Če je usmernik krmiljen na vhodu, potem se sprememba amplitude izvaja s krmiljenjem usmernika, pretvornik pa je odgovoren samo za pretvorbo frekvence. Včasih je na izhodu pretvornika nameščen dodaten filter za dušenje tokovnih valov (zelo redko se to uporablja v pretvornikih majhne moči).V vsakem primeru je izhod trifazna napetost in izmenični tok z uporabniško določenimi osnovnimi parametri.