Sposoby zwiększenia bieżącej częstotliwości

Najpopularniejszą obecnie metodą zwiększania (lub zmniejszania) częstotliwości prądu jest użycie przetwornicy częstotliwości. Przetwornice częstotliwości umożliwiają uzyskanie z jednofazowego lub trójfazowego prądu przemiennego o częstotliwości przemysłowej (50 lub 60 Hz) prądu o wymaganej częstotliwości, np. silniki faza-faza.

Wraz z elektronicznymi przetwornicami częstotliwości, w celu zwiększenia częstotliwości prądu, stosuje się również elektryczne indukcyjne przetwornice częstotliwości, w których na przykład silnik asynchroniczny z uzwojonym wirnikiem pracuje częściowo w trybie generatora. Istnieją również umformery — generatory silników, które również zostaną omówione w tym artykule.

Elektroniczne przetwornice częstotliwości

Elektroniczne przetwornice częstotliwości pozwalają na płynną regulację prędkości obrotowej silników synchronicznych i asynchronicznych dzięki płynnemu wzrostowi częstotliwości wyjściowej przetwornicy do zadanej wartości. Najprostsze podejście zapewnia ustawienie stałej charakterystyki U/f, bardziej zaawansowane rozwiązania wykorzystują sterowanie wektorowe.

Przetwornice częstotliwościzwykle zawierają prostownik, który przetwarza prąd przemienny o częstotliwości sieciowej na prąd stały; za prostownikiem znajduje się falownik w najprostszej postaci, oparty na PWM, który przetwarza stałe napięcie na zmienny prąd obciążenia, a częstotliwość i amplituda są już ustawione przez użytkownika i parametry te mogą różnić się od parametrów sieciowych wprowadzać w górę lub w dół.

Modułem wyjściowym elektronicznej przetwornicy częstotliwości jest najczęściej mostek tyrystorowy lub tranzystorowy składający się z czterech lub sześciu przełączników, które wytwarzają prąd niezbędny do zasilania obciążenia, w szczególności silnika elektrycznego. Do wyjścia dodawany jest filtr EMC w celu wygładzenia szumu w napięciu wyjściowym.

Jak wspomniano powyżej, elektroniczna przetwornica częstotliwości wykorzystuje do działania tyrystory lub tranzystory jako przełączniki. Do sterowania klawiszami służy moduł mikroprocesorowy, który pełni funkcję kontrolera i jednocześnie realizuje szereg funkcji diagnostycznych i zabezpieczających.

Tymczasem przetwornice częstotliwości nadal dzielą się na dwie klasy: ze sprzężeniem bezpośrednim i ze sprzężeniem DC. Wybierając między tymi dwiema klasami, waży się zalety i wady obu typów i określa się przydatność jednej lub drugiej do rozwiązania pilnego problemu.

Bezpośrednia komunikacja

Przetwornice ze sprzężeniem bezpośrednim wyróżniają się tym, że wykorzystują sterowany prostownik, w którym grupy tyrystorów sekwencyjnie, odblokowując, przełączają obciążenie, na przykład uzwojenia silnika, bezpośrednio do sieci zasilającej.

W rezultacie na wyjściu uzyskuje się bity sinusoidy napięcia sieci, a równoważna częstotliwość wyjściowa (dla silnika) staje się mniejsza niż częstotliwość sieci w granicach 60%, czyli od 0 do 36 Hz dla 60 Hz wejście.

Taka charakterystyka nie pozwala na zmianę parametrów urządzeń w przemyśle w szerokim zakresie, stąd zapotrzebowanie na te rozwiązania jest niewielkie. Ponadto tyrystory bez blokady są trudne do kontrolowania, koszt obwodów staje się wyższy, a na wyjściu występuje duży hałas, potrzebne są kompensatory, w wyniku czego wymiary są wysokie, a wydajność niska.

Połączenie prądu stałego

Znacznie lepsze pod tym względem są przetwornice częstotliwości z wyraźnym podłączeniem prądu stałego, gdzie najpierw przemienny prąd sieciowy jest prostowany, filtrowany, a następnie ponownie poprzez obwód przełączników elektronicznych jest przetwarzany na prąd przemienny o wymaganej częstotliwości i amplitudzie. Tutaj częstotliwość może być znacznie wyższa. Oczywiście podwójna konwersja nieco zmniejsza wydajność, ale parametry częstotliwości wyjściowej po prostu odpowiadają wymaganiom użytkownika.

Do uzyskania czystej fali sinusoidalnej na uzwojeniach silnika stosuje się układ falownika, w którym napięcie o pożądanym kształcie uzyskuje się dzięki modulacja szerokości impulsu (PWM)… Elektroniczne przełączniki to tyrystory blokujące lub tranzystory IGBT.

Tyrystory wytrzymują duże prądy impulsowe w porównaniu z tranzystorami, dlatego coraz częściej sięgają po obwody tyrystorowe, zarówno w przetwornicach komunikacji bezpośredniej, jak i przetwornicach z pośrednim łączem DC, sprawność sięga 98%.

Gwoli ścisłości zauważamy, że elektroniczne przetwornice częstotliwości dla sieci elektroenergetycznej są obciążeniem nieliniowym i generują w niej wyższe harmoniczne, co pogarsza jakość energii.

Generator silnikowy (umformer)

W celu zamiany jednej postaci energii elektrycznej na inną, w szczególności zwiększenia częstotliwości prądu, bez konieczności uciekania się do rozwiązań elektronicznych, stosuje się tzw. umformery — motorgeneratory. Takie maszyny funkcjonują jako przewodniki prądu, ale w rzeczywistości nie dochodzi do bezpośredniej konwersji prądu, tak jak w transformatorze lub w elektronicznej przetwornicy częstotliwości jako takiej.

Dostępne są tutaj następujące opcje:

• prąd stały można zamienić na prąd przemienny o wyższym napięciu i wymaganej częstotliwości;

• prąd stały można uzyskać z prądu przemiennego;

• bezpośrednia mechaniczna konwersja częstotliwości z jej wzrostem lub spadkiem;

• uzyskanie prądu trójfazowego o wymaganej częstotliwości z prądu jednofazowego o częstotliwości sieciowej.

W swojej kanonicznej postaci silnik-generator to silnik elektryczny, którego wał jest bezpośrednio połączony z generatorem. Na wyjściu z generatora instalowane jest urządzenie stabilizujące poprawiające parametry częstotliwości i amplitudy generowanej energii elektrycznej.

W niektórych modelach umformerów twornik zawiera cewki oraz silnik i generator, które izolowane galwanicznie, i których przewody są podłączone odpowiednio do kolektora i do pierścieni wyjściowych.

W innych wersjach są wspólne uzwojenia dla obu prądów, np. nie ma kolektora z pierścieniami ślizgowymi do zamiany ilości faz, ale po prostu wykonuje się odczepy z uzwojenia stojana dla każdej z faz wyjściowych.Tak więc maszyna indukcyjna przetwarza prąd jednofazowy na prąd trójfazowy (w zasadzie identyczny ze wzrostem częstotliwości).

Tak więc silnik-generator pozwala na transformację rodzaju prądu, napięcia, częstotliwości, liczby faz. Do lat 70. przetwornice tego typu były stosowane w sprzęcie wojskowym ZSRR, gdzie zasilały w szczególności urządzenia lampowe. Przetwornice jednofazowe i trójfazowe są zasilane stałym napięciem 27 woltów, a na wyjściu jest napięcie przemienne 127 woltów 50 herców jednofazowych lub 36 woltów 400 herców trójfazowych.

Moc takich transformatorów sięga 4,5 kVA. Podobne maszyny są stosowane w lokomotywach elektrycznych, w których napięcie stałe 50 woltów jest przetwarzane na napięcie przemienne 220 woltów o częstotliwości do 425 herców do zasilania lamp fluorescencyjnych i 127 woltów 50 herców do zasilania golarek pasażerskich. Pierwsze komputery były często używane przez umformatorów do ich zasilania.

Do dziś umformery można spotkać tu i tam: w trolejbusach, tramwajach, pociągach elektrycznych, gdzie są instalowane w celu uzyskania niskiego napięcia do zasilania obwodów sterujących.Teraz zostały już prawie całkowicie wyparte przez rozwiązania półprzewodnikowe (tyrystory i tranzystory).

Przetwornice silnik-generator są cenne ze względu na szereg zalet. Po pierwsze, jest to niezawodna izolacja galwaniczna obwodów zasilania wyjściowego i wejściowego. Po drugie, wyjście to najczystsza sinusoida bez zniekształceń i szumów. Urządzenie jest bardzo proste w konstrukcji, dlatego konserwacja jest dość pomysłowa.

Jest to łatwy sposób na uzyskanie napięcia trójfazowego. Bezwładność wirnika wygładza skoki prądu, gdy parametry obciążenia gwałtownie się zmieniają.I oczywiście bardzo łatwo jest tu przywrócić elektryczność.

Nie bez wad. Umformery mają ruchome części i dlatego ich zasoby są ograniczone. Masa, waga, obfitość materiałów, a co za tym idzie wysoka cena. Głośna praca, wibracje. Konieczność częstego smarowania łożysk, czyszczenia kolektorów, wymiany szczotek. Sprawność mieści się w granicach 70%.

Pomimo wad mechaniczne generatory silnikowe są nadal stosowane w elektroenergetyce do przetwarzania dużych mocy. W przyszłości generatory silnikowe mogą pomóc w dopasowaniu sieci 60 i 50 Hz lub zapewnić sieci o podwyższonych wymaganiach dotyczących jakości energii. Zasilanie uzwojeń wirnika maszyny w tym przypadku jest możliwe z półprzewodnikowej przetwornicy częstotliwości małej mocy.