Przetwornica częstotliwości - rodzaje, zasada działania, schematy połączeń

Wirnik dowolnego silnika elektrycznego jest napędzany siłami wywołanymi wirującym polem elektromagnetycznym wewnątrz uzwojenia stojana. Jego prędkość jest zwykle określana przez częstotliwość przemysłową sieci energetycznej.

Jego standardowa wartość 50 Hz implikuje pięćdziesiąt okresów oscylacji w ciągu jednej sekundy. W ciągu jednej minuty ich liczba wzrasta 60 razy i wynosi 50×60 = 3000 obrotów. Wirnik obraca się tyle samo razy pod wpływem przyłożonego pola elektromagnetycznego.

Zmieniając wartość częstotliwości sieci zasilającej stojan, można regulować prędkość obrotową wirnika i podłączonego do niego napędu. Ta zasada jest podstawą sterowania silnikami elektrycznymi.

Rodzaje przetwornic częstotliwości

Z założenia przetwornice częstotliwości są:

1. typ indukcyjny;

2. elektroniczny.

Produkowane silniki asynchroniczne zgodnie ze schematem z wirnikiem fazowym i uruchamiane w trybie generatora, są przedstawicielami pierwszego typu. Podczas pracy mają niską wydajność i charakteryzują się niską wydajnością.Dlatego nie znalazły szerokiego zastosowania w produkcji i są używane niezwykle rzadko.

Metoda elektronicznej konwersji częstotliwości umożliwia płynną regulację prędkości zarówno maszyn asynchronicznych, jak i synchronicznych. W takim przypadku można zastosować jedną z dwóch zasad sterowania:

1. Zgodnie z określoną charakterystyką zależności prędkości obrotowej od częstotliwości (V / f);

2. metoda sterowania wektorowego.

Pierwsza metoda jest najprostsza i mniej doskonała, a druga służy do precyzyjnego sterowania prędkościami obrotowymi krytycznych urządzeń przemysłowych.

Cechy sterowania wektorem konwersji częstotliwości

Różnica między tą metodą polega na interakcji, wpływie urządzenia sterującego przetwornicy na „wektor przestrzenny” strumienia magnetycznego wirującego z częstotliwością pola wirnika.

Algorytmy dla konwerterów do pracy na tej zasadzie są tworzone na dwa sposoby:

1. sterowanie bezczujnikowe;

2. regulacja przepływu.

Pierwsza metoda opiera się na określeniu pewnej zależności od naprzemienności sekwencji modulacja szerokości impulsu (PWM) falownik dla gotowych algorytmów. W tym przypadku amplituda i częstotliwość napięcia wyjściowego przekształtnika są kontrolowane przez prąd poślizgu i obciążenie, ale bez wykorzystania sprzężenia zwrotnego prędkości wirnika.

Ta metoda jest stosowana podczas sterowania kilkoma silnikami elektrycznymi połączonymi równolegle z przetwornicą częstotliwości.Sterowanie strumieniem polega na monitorowaniu prądów roboczych wewnątrz silnika z ich rozkładem na składową czynną i reaktywną oraz dokonywaniu korekt pracy przekształtnika w celu ustawienia amplitudy, częstotliwości i kąta wektorów napięcia wyjściowego.

Poprawia to dokładność silnika i zwiększa granice jego regulacji. Zastosowanie sterowania przepływem rozszerza możliwości napędów pracujących przy niskich prędkościach przy dużych obciążeniach dynamicznych, takich jak wyciągi suwnicowe czy przemysłowe maszyny wyciągowe.

Zastosowanie technologii wektorowej pozwala na realizację dynamicznej regulacji momentu obrotowego trójfazowe silniki asynchroniczne. 

Równoważny obwód

Podstawowy uproszczony obwód elektryczny silnika indukcyjnego można przedstawić w następujący sposób.

Napięcie u1 jest przykładane do uzwojeń stojana, które mają rezystancję czynną R1 i rezystancję indukcyjną X1. To, pokonując opór szczeliny powietrznej Xv, jest przekształcane w uzwojenie wirnika, powodując w nim prąd, który pokonuje jego opór.

Równoważny obwód obwodu wektorowego

Jego budowa pomaga zrozumieć procesy zachodzące w silniku indukcyjnym.

Energia prądu stojana jest podzielona na dwie części:

• iµ — przegroda przepływowa;

• iw — składowa generująca moment.

W tym przypadku wirnik ma zależną od poślizgu rezystancję czynną R2 / s.

W przypadku sterowania bezczujnikowego mierzone są:

• napięcie u1;

• prąd i1.

Zgodnie z ich wartościami obliczają:

• iµ — składowa przepływu tworząca przepływ;

• iw — moment generujący wartość.

Algorytm obliczeniowy zawiera teraz elektroniczny obwód zastępczy silnika indukcyjnego z regulatorami prądu, który uwzględnia warunki nasycenia pola elektromagnetycznego oraz straty energii magnetycznej w stali.

Obie składowe wektorów prądu, różniące się kątem i amplitudą, obracają się razem z układem współrzędnych wirnika i stają się stacjonarnym układem orientacji stojana.

Zgodnie z tą zasadą parametry przetwornicy częstotliwości są dostosowywane do obciążenia silnika indukcyjnego.

Zasada działania przetwornicy częstotliwości

To urządzenie, zwane także inwerterem, działa na zasadzie podwójnej zmiany kształtu fali zasilania sieciowego.

Początkowo napięcie przemysłowe jest podawane do prostownika z mocnymi diodami, które usuwają harmoniczne sinusoidalne, ale pozostawiają tętnienia sygnału. Do ich usunięcia przewidziana jest bateria kondensatorów z indukcyjnością (filtr LC), która zapewnia stabilny, wygładzony kształt napięcia wyprostowanego.

Sygnał trafia następnie do wejścia przetwornicy częstotliwości, która jest sześciofazowym mostkiem trójfazowym tranzystory mocy Seria IGBT lub MOSFET z diodami zabezpieczającymi przed odwrotną polaryzacją. Stosowane wcześniej tyrystory do tych celów nie mają wystarczającej prędkości i pracują z dużymi zakłóceniami.

Aby włączyć tryb „hamowania” silnika, w obwodzie można zainstalować sterowany tranzystor z mocnym rezystorem, który rozprasza energię. Technika ta pozwala na usunięcie napięcia generowanego przez silnik w celu ochrony kondensatorów filtra przed przeładowaniem i uszkodzeniem.

Wektorowa metoda sterowania częstotliwością przetwornicy pozwala na tworzenie układów realizujących automatyczne sterowanie sygnałem z układów ACS. Służy do tego system zarządzania:

1. amplituda;

2. PWM (symulacja szerokości impulsu).

Sposób sterowania amplitudą polega na zmianie napięcia wejściowego, a PWM na algorytmie przełączania tranzystorów mocy przy stałym napięciu wejściowym.

W przypadku regulacji PWM okres modulacji sygnału powstaje, gdy uzwojenie stojana jest podłączone w ścisłej kolejności do dodatnich i ujemnych zacisków prostownika.

Ponieważ częstotliwość zegara generatora jest dość wysoka, to w uzwojeniu silnika elektrycznego, który ma rezystancję indukcyjną, są one wygładzane do normalnej fali sinusoidalnej.

Metody sterowania PWM maksymalizują eliminację strat energii i zapewniają wysoką wydajność konwersji dzięki jednoczesnej kontroli częstotliwości i amplitudy. Stały się dostępne dzięki rozwojowi technologii sterowania tyrystorami z blokadą mocy serii GTO lub marek bipolarnych tranzystorów IGBT z izolowaną bramką.

Zasady ich włączenia do sterowania silnikiem trójfazowym pokazano na zdjęciu.

Każdy z sześciu tranzystorów IGBT jest połączony w obwodzie przeciwrównoległym z własną diodą prądu wstecznego. W tym przypadku prąd czynny silnika indukcyjnego przepływa przez obwód mocy każdego tranzystora, a jego składowa reaktywna jest kierowana przez diody.

W celu wyeliminowania wpływu zewnętrznych zakłóceń elektrycznych na pracę falownika i silnika, obwód przetwornicy częstotliwości może zawierać filtr redukcji szumówlikwidacja:

• zakłócenia radiowe;

• wyładowania elektryczne spowodowane przez pracujący sprzęt.

Są one sygnalizowane przez sterownik, a przewody ekranowane są stosowane między silnikiem a zaciskami wyjściowymi falownika w celu zmniejszenia porażenia.

Aby poprawić dokładność działania silników asynchronicznych, obwód sterowania przetwornic częstotliwości obejmuje:

• wejście komunikacyjne z zaawansowanymi możliwościami interfejsu;

• wbudowany kontroler;

• karta pamięci;

• oprogramowanie;

• informacyjny wyświetlacz LED pokazujący główne parametry wyjścia;

• czoper hamowania i wbudowany filtr EMC;

• obiegowy układ chłodzenia oparty na nadmuchu wentylatorami o zwiększonym zasobie;

• funkcja ogrzewania silnika prądem stałym i kilka innych możliwości.

Schematy połączeń operacyjnych

Przetwornice częstotliwości przeznaczone są do pracy w sieciach jednofazowych lub trójfazowych. Jeśli jednak istnieją przemysłowe źródła prądu stałego o napięciu 220 woltów, wówczas można z nich zasilać falowniki.

Modele trójfazowe są przeznaczone do napięcia sieciowego 380 woltów i doprowadzają je do silnika elektrycznego. Falowniki jednofazowe są zasilane napięciem 220 woltów i wyprowadzają trzy fazy rozłożone w czasie.

Schemat podłączenia przetwornicy częstotliwości do silnika można wykonać zgodnie ze schematami:

• gwiazdy;

• trójkąt.

Uzwojenia silnika są montowane w „gwiazdę” dla przetwornicy, zasilanej z sieci trójfazowej o napięciu 380 woltów.

Zgodnie ze schematem „trójkąta” uzwojenia silnika są montowane, gdy przetwornica mocy jest podłączona do jednofazowej sieci 220 woltów.

Wybierając metodę podłączenia silnika elektrycznego do przetwornicy częstotliwości, należy zwrócić uwagę na stosunek mocy, jaki może wytworzyć pracujący silnik we wszystkich trybach, w tym powolny, obciążony start, z możliwościami falownika.

Niemożliwe jest ciągłe przeciążanie przetwornicy częstotliwości, a niewielki zapas jej mocy wyjściowej zapewni jej wieloletnią i bezawaryjną pracę.