Convertor de frecvență - tipuri, principiu de funcționare, scheme de conectare

Rotorul oricărui motor electric este antrenat de forțele cauzate de un câmp electromagnetic rotativ din interiorul înfășurării statorului. Viteza sa este de obicei determinată de frecvența industrială a rețelei electrice.

Valoarea sa standard de 50 hertzi implică cincizeci de perioade de oscilație într-o secundă. Într-un minut, numărul lor crește de 60 de ori și este de 50×60 = 3000 de rotații. Rotorul se rotește de același număr de ori sub influența câmpului electromagnetic aplicat.

Dacă modificați valoarea frecvenței rețelei aplicată statorului, puteți regla viteza de rotație a rotorului și a acționării conectate la acesta. Acest principiu stă la baza controlului motoarelor electrice.

Tipuri de convertoare de frecvență

Prin proiectare, convertoarele de frecvență sunt:

1. tip inductie;

2. electronice.

Fabricat motoare asincrone conform schemei cu un rotor de fază și pornit în modul generator, sunt reprezentanți ai primului tip. În timpul funcționării, au eficiență scăzută și se caracterizează printr-o eficiență scăzută.Prin urmare, nu au găsit o aplicație largă în producție și sunt utilizate extrem de rar.

Metoda electronică de conversie a frecvenței permite reglarea lină a vitezei atât a mașinilor asincrone, cât și a celor sincrone. În acest caz, se poate aplica unul dintre cele două principii de control:

1. Conform unei caracteristici predeterminate a dependenței vitezei de rotație de frecvența (V / f);

2. metoda de control vectorial.

Prima metodă este cea mai simplă și mai puțin perfectă, iar a doua este folosită pentru a controla cu precizie vitezele de rotație ale echipamentelor industriale critice.

Caracteristici ale controlului vectorial de conversie a frecvenței

Diferența dintre această metodă este interacțiunea, influența dispozitivului de control al convertorului asupra «vectorului spațial» al fluxului magnetic care se rotește cu frecvența câmpului rotorului.

Algoritmii pentru ca convertoarele să funcționeze pe acest principiu sunt creați în două moduri:

1. control fără senzori;

2. reglarea debitului.

Prima metodă se bazează pe determinarea unei anumite dependențe de alternanța secvențelor modularea lățimii impulsului (PWM) invertor pentru algoritmi prestabiliți. În acest caz, amplitudinea și frecvența tensiunii de ieșire a convertizorului sunt controlate de curentul de alunecare și sarcină, dar fără a utiliza feedback-ul vitezei rotorului.

Această metodă este utilizată la controlul mai multor motoare electrice conectate în paralel cu convertizorul de frecvență.Controlul fluxului implică monitorizarea curenților de funcționare din interiorul motorului cu descompunerea lor în componente active și reactive și efectuarea de ajustări la funcționarea convertorului pentru a seta amplitudinea, frecvența și unghiul pentru vectorii de tensiune de ieșire.

Acest lucru îmbunătățește precizia motorului și mărește limitele de reglare a acestuia. Utilizarea controlului debitului extinde capacitățile acționărilor care funcționează la viteze mici cu sarcini dinamice mari, cum ar fi palanele cu macara sau mașinile de bobinat industriale.

Utilizarea tehnologiei vectoriale permite implementarea controlului dinamic al cuplului motoare asincrone trifazate. 

Circuit echivalent

Un circuit electric de bază simplificat al unui motor cu inducție poate fi reprezentat după cum urmează.

Pe înfășurările statorului se aplică o tensiune u1, care au o rezistență activă R1 și o rezistență inductivă X1. Acesta, depășind rezistența întrefierului Xv, se transformă în înfășurarea rotorului, provocând în ea un curent care îi depășește rezistența.

Circuit echivalent al unui circuit vectorial

Construcția sa ajută la înțelegerea proceselor care au loc în motorul cu inducție.

Energia curentului statorului este împărțită în două părți:

• iµ — despărțitor de curgere;

• iw — componentă generatoare de moment.

În acest caz, rotorul are o rezistență activă dependentă de alunecare R2 / s.

Pentru controlul fără senzori, se măsoară următoarele:

• tensiunea u1;

• curent i1.

După valorile lor, calculează:

• iµ — componenta de curgere care formează curgerea;

• iw — cuplul generator de valoare.

Algoritmul de calcul include acum un circuit electronic echivalent al unui motor de inducție cu regulatoare de curent, care ia în considerare condițiile de saturație ale câmpului electromagnetic și pierderile de energie magnetică din oțel.

Ambele componente ale vectorilor de curent, diferite ca unghi și amplitudine, se rotesc împreună cu sistemul de coordonate al rotorului și devin un sistem staționar de orientare a statorului.

Conform acestui principiu, parametrii convertizorului de frecvență sunt ajustați în funcție de sarcina motorului cu inducție.

Principiul de funcționare al convertizorului de frecvență

Acest dispozitiv, numit și invertor, se bazează pe o dublă modificare a formei de undă a rețelei de alimentare.

Inițial, tensiunea industrială este alimentată la un redresor cu diode puternice care elimină armonicile sinusoidale, dar lasă ondularea semnalului. Pentru îndepărtarea lor, este prevăzută o bancă de condensatoare cu inductanță (filtru LC), care oferă o formă stabilă, netezită tensiunii redresate.

Semnalul merge apoi la intrarea convertizorului de frecvență, care este un circuit de punte trifazat de șase tranzistoare de putere Seria IGBT sau MOSFET cu diode de protecție a tensiunii de polaritate inversă. Tiristoarele folosite anterior în aceste scopuri nu au viteză suficientă și funcționează cu perturbări mari.

Pentru a porni modul „frână” al motorului, în circuit poate fi instalat un tranzistor controlat cu un rezistor puternic care disipează energia. Această tehnică permite eliminarea tensiunii generate de motor pentru a proteja condensatorii filtrului de supraîncărcare și deteriorare.

Metoda de control al frecvenței vectoriale a convertorului vă permite să creați circuite care efectuează controlul automat al semnalului de la sistemele ACS. Pentru aceasta este utilizat un sistem de management:

1. amplitudine;

2. PWM (simularea lățimii pulsului).

Metoda de control al amplitudinii se bazează pe schimbarea tensiunii de intrare, iar PWM se bazează pe algoritmul de comutare a tranzistoarelor de putere la o tensiune de intrare constantă.

Cu reglarea PWM, se creează o perioadă de modulație a semnalului atunci când înfășurarea statorului este conectată în ordine strictă la bornele pozitive și negative ale redresorului.

Deoarece frecvența de ceas a generatorului este destul de mare, atunci în înfășurarea motorului electric, care are rezistență inductivă, acestea sunt netezite la o undă sinusoidală normală.

Metodele de control PWM maximizează eliminarea pierderilor de energie și asigură o eficiență ridicată a conversiei datorită controlului simultan al frecvenței și amplitudinii. Acestea au devenit disponibile datorită dezvoltării tehnologiilor de control a tiristoarelor blocate cu putere din seria GTO sau a mărcilor bipolare de tranzistoare IGBT cu poartă izolată.

Principiile includerii lor pentru controlul unui motor trifazat sunt prezentate în fotografie.

Fiecare dintre cele șase IGBT este conectat în circuit antiparalel la propria sa diodă de curent invers. În acest caz, curentul activ al motorului cu inducție trece prin circuitul de putere al fiecărui tranzistor, iar componenta sa reactivă este direcționată prin diode.

Pentru a elimina influența zgomotului electric extern asupra funcționării invertorului și a motorului, circuitul convertizorului de frecvență poate include filtru de reducere a zgomotuluilichidare:

• interferențe radio;

• descărcări electrice cauzate de echipamentele de operare.

Acestea sunt semnalate de controler și cabluri ecranate sunt utilizate între motor și bornele de ieșire ale invertorului pentru a reduce șocurile.

Pentru a îmbunătăți acuratețea funcționării motoarelor asincrone, circuitul de control al convertoarelor de frecvență include:

• intrare de comunicare cu capabilități avansate de interfață;

• controler încorporat;

• card de memorie;

• software;

• afișaj LED informațional care arată principalii parametri de ieșire;

• Chopper de frână și filtru EMC încorporat;

• sistem de răcire a circuitului bazat pe suflare cu ventilatoare de resurse sporite;

• funcția de încălzire a motorului prin curent continuu și alte posibilități.

Scheme de cablare operaționale

Convertizoarele de frecvență sunt proiectate să funcționeze cu rețele monofazate sau trifazate. Cu toate acestea, dacă există surse industriale de curent continuu cu o tensiune de 220 de volți, atunci invertoarele pot fi alimentate de la acestea.

Modelele trifazate sunt proiectate pentru o tensiune de rețea de 380 volți și o alimentează la motorul electric. Invertoarele monofazate sunt alimentate de 220 volți și produc trei faze distribuite în timp.

Schema de conectare a convertizorului de frecvență la motor poate fi realizată conform schemelor:

• stele;

• triunghi.

Înfășurările motorului sunt asamblate într-o „stea” pentru convertor, alimentată de o rețea trifazată de 380 volți.

Conform schemei „delta”, înfășurările motorului sunt asamblate atunci când convertorul de putere este conectat la o rețea monofazată de 220 de volți.

Atunci când alegeți o metodă de conectare a unui motor electric la un convertor de frecvență, trebuie să acordați atenție raportului de putere pe care un motor în funcțiune îl poate crea în toate modurile, inclusiv o pornire lentă, încărcată, cu capacitățile invertorului.

Este imposibil să supraîncărcați constant convertizorul de frecvență, iar o mică rezervă a puterii sale de ieșire va asigura funcționarea sa pe termen lung și fără probleme.