Rodzaje przetwornic częstotliwości

Urządzenia zwane przetwornicami częstotliwości służą do przetwarzania napięcia sieciowego prądu zmiennego o częstotliwości przemysłowej 50/60 Hz na napięcie prądu przemiennego o innej częstotliwości. Częstotliwość wyjściowa przetwornicy częstotliwości może zmieniać się w szerokim zakresie, typowo od 0,5 do 400 Hz. Wyższe częstotliwości są niedopuszczalne dla nowoczesnych silników ze względu na specyfikę materiałów, z których wykonane są rdzenie stojana i wirnika.

Jakikolwiek przetwornica częstotliwości obejmuje dwie główne części: sterowanie i zasilanie. Część sterująca to obwód cyfrowego mikroukładu, który zapewnia sterowanie przełącznikami jednostki mocy, a także służy do sterowania, diagnozowania i ochrony napędzanego napędu i samego przekształtnika.

Sekcja zasilania obejmuje bezpośrednio przełączniki — mocne tranzystory lub tyrystory. W tym przypadku przetwornice częstotliwości są dwojakiego rodzaju: z podświetloną sekcją prądu stałego lub z bezpośrednią komunikacją. Przetwornice ze sprzężeniem bezpośrednim mają sprawność do 98% i mogą pracować przy znacznych napięciach i prądach.Ogólnie rzecz biorąc, każdy z dwóch wymienionych typów przetwornic częstotliwości ma indywidualne zalety i wady, a zastosowanie jednego lub drugiego do różnych zastosowań może być racjonalne.

Bezpośrednia komunikacja

Jako pierwsze na rynku pojawiły się przetwornice częstotliwości z bezpośrednim połączeniem galwanicznym, których częścią zasilającą jest sterowany prostownik tyrystorowy, w którym kolejno otwierane są pewne grupy tyrystorów blokujących, a uzwojenia stojana są włączane do sieci. Oznacza to, że ostatecznie napięcie dostarczane do stojana jest kształtowane jako fragmenty sinusoidy sieci zasilającej, które są doprowadzane szeregowo do uzwojeń.

Napięcie sinusoidalne jest przekształcane na wyjściu na napięcie piłokształtne. Częstotliwość jest niższa niż w sieci — od 0,5 do około 40 Hz. Oczywiście zasięg tego typu konwertera jest ograniczony. Tyrystory bez blokady wymagają bardziej złożonych schematów sterowania, co zwiększa koszt tych urządzeń.

Części sinusoidy wyjściowej generują wyższe harmoniczne i są to dodatkowe straty i przegrzanie silnika przy spadku momentu obrotowego na wale, dodatkowo do sieci nie wchodzą słabe zakłócenia. Jeśli stosowane są urządzenia kompensacyjne, to ponownie rosną koszty, zwiększają się wymiary i waga, a wydajność przetwornicy maleje.

Zalety przetwornic częstotliwości z bezpośrednim sprzężeniem galwanicznym obejmują:

• możliwość ciągłej pracy przy znacznych napięciach i prądach;
• odporność na przeciążenia impulsowe;
• Sprawność do 98%;
• możliwość zastosowania w obwodach wysokiego napięcia od 3 do 10 kV i wyższych.

W tym przypadku wysokonapięciowe przetwornice częstotliwości są oczywiście droższe niż niskonapięciowe. Wcześniej używano ich tam, gdzie było to potrzebne — mianowicie bezpośrednio sprzężonych przetwornic tyrystorowych.

Z podświetlonym połączeniem DC

W przypadku nowoczesnych napędów przetwornice częstotliwości z podświetlonym blokiem DC są szerzej stosowane do celów regulacji częstotliwości. Tutaj konwersja odbywa się w dwóch krokach. W pierwszej kolejności wejściowe napięcie sieciowe jest prostowane i filtrowane, wygładzane, a następnie podawane do falownika, gdzie jest przetwarzane na prąd przemienny o wymaganej częstotliwości i napięciu o wymaganej amplitudzie.

Sprawność takiej podwójnej konwersji spada, a gabaryty urządzenia stają się nieco większe niż w przypadku przetwornic z bezpośrednim podłączeniem elektrycznym. Sinusoida jest tutaj generowana przez autonomiczny falownik prądu i napięcia.

W przetwornicach częstotliwości z łączem DC, tyrystorach zatrzaskowych lub Tranzystory IGBT…Tyrystory blokujące były stosowane głównie w pierwszych produkowanych przetwornicach częstotliwości tego typu, następnie wraz z pojawieniem się na rynku tranzystorów IGBT, to właśnie przetwornice oparte na tych tranzystorach zaczęły dominować wśród urządzeń niskonapięciowych.

Aby włączyć tyrystor, wystarczy krótki impuls przyłożony do elektrody sterującej, a aby go wyłączyć, konieczne jest przyłożenie napięcia wstecznego do tyrystora lub zresetowanie prądu przełączania do zera. Wymagany jest specjalny schemat sterowania — złożony i wielowymiarowy. Tranzystory bipolarne IGBT mają bardziej elastyczne sterowanie, mniejsze zużycie energii i dość dużą prędkość.

Z tego powodu przetwornice częstotliwości oparte na tranzystorach IGBT umożliwiły rozszerzenie zakresu prędkości sterowania napędem: silniki asynchroniczne ze sterowaniem wektorowym oparte na tranzystorach IGBT mogą bezpiecznie pracować przy niskich prędkościach bez konieczności stosowania czujników sprzężenia zwrotnego.

Mikroprocesory sprzężone z szybkimi tranzystorami wytwarzają na wyjściu mniej wyższych harmonicznych niż przetwornice tyrystorowe. W rezultacie straty okazują się mniejsze, uzwojenia i obwód magnetyczny mniej się przegrzewają, zmniejszają się pulsacje wirnika przy niskich częstotliwościach. Mniejsze straty w bateriach kondensatorów, w transformatorach - zwiększa się żywotność tych elementów. W pracy jest mniej błędów.

Jeśli porównamy przetwornicę tyrystorową z przetwornicą tranzystorową o tej samej mocy wyjściowej, to ta druga będzie ważyła mniej, będzie miała mniejsze rozmiary, a jej działanie będzie bardziej niezawodne i równomierne. Modułowa konstrukcja przełączników IGBT pozwala na wydajniejsze odprowadzanie ciepła i wymaga mniej miejsca na montaż elementów zasilających, dodatkowo przełączniki modułowe są lepiej zabezpieczone przed przepięciami łączeniowymi, czyli prawdopodobieństwo uszkodzenia jest mniejsze.

Przetwornice częstotliwości oparte na tranzystorach IGBT są droższe, ponieważ moduły mocy są złożonymi komponentami elektronicznymi w produkcji. Jednak cena jest uzasadniona jakością. Jednocześnie statystyki pokazują tendencję do corocznego obniżania cen tranzystorów IGBT.

Zasada działania przetwornicy częstotliwości IGBT

Na rysunku przedstawiono schemat przetwornicy częstotliwości oraz wykresy prądów i napięć każdego z elementów. Napięcie sieciowe o stałej amplitudzie i częstotliwości podawane jest do prostownika, który może być sterowany lub nie. Za prostownikiem jest kondensator - filtr pojemnościowy. Te dwa elementy — prostownik i kondensator — tworzą jednostkę prądu stałego.

Z filtra dostarczane jest teraz stałe napięcie do autonomicznego falownika impulsowego, w którym pracują tranzystory IGBT. Schemat przedstawia typowe rozwiązanie dla nowoczesnych przetwornic częstotliwości. Napięcie stałe jest przetwarzane na impuls trójfazowy o regulowanej częstotliwości i amplitudzie.

Układ sterowania w odpowiednim czasie wysyła sygnały do ​​każdego z klawiszy, a odpowiednie cewki są kolejno przełączane na stałe połączenie. W tym przypadku czas podłączania cewek do połączenia jest modulowany do sinusa. Tak więc w środkowej części półokresu szerokość impulsu jest największa, a na krawędziach najmniejsza. To się dzieje tutaj napięcie modulacji szerokości impulsu na uzwojeniach stojana silnika. Częstotliwość PWM zwykle sięga 15 kHz, a same cewki działają jak filtr indukcyjny, w wyniku czego prądy przez nie płyną prawie sinusoidalnie.

Jeżeli prostownik jest sterowany na wejściu, to zmiana amplitudy odbywa się poprzez sterowanie prostownikiem, a falownik odpowiada tylko za konwersję częstotliwości. Czasami na wyjściu falownika instalowany jest dodatkowy filtr tłumiący fale prądowe (bardzo rzadko jest to stosowane w przetwornicach małej mocy).Tak czy inaczej, wyjściem jest napięcie trójfazowe i prąd przemienny z podstawowymi parametrami zdefiniowanymi przez użytkownika.