Tipuri de convertoare de frecvență

Dispozitivele numite convertoare de frecvență sunt folosite pentru a converti tensiunea de rețea de curent alternativ cu o frecvență industrială de 50/60 Hz în tensiune de curent alternativ cu o frecvență diferită. Frecvența de ieșire a convertorului de frecvență poate varia foarte mult, de obicei de la 0,5 la 400 Hz. Frecvențele mai mari sunt inacceptabile pentru motoarele moderne din cauza naturii materialelor din care sunt fabricate miezurile statorului și rotorului.

Orice fel convertor de frecvență include două părți principale: control și alimentare. Partea de control este un circuit al unui microcircuit digital care asigură controlul comutatoarelor unității de alimentare și servește, de asemenea, la controlul, diagnosticarea și protejarea unității conduse și a convertizorului în sine.

Secțiunea de alimentare include direct comutatoarele — tranzistoare sau tiristoare puternice. În acest caz, convertizoarele de frecvență sunt de două tipuri: cu o secțiune evidențiată de curent continuu sau cu comunicare directă. Convertizoarele cu cuplare directă au o eficiență de până la 98% și pot funcționa cu tensiuni și curenți semnificativi.În general, fiecare dintre cele două tipuri de convertoare de frecvență menționate prezintă avantaje și dezavantaje individuale și poate fi rațional să se aplice unul sau altul pentru aplicații diferite.

Comunicare directă

Convertizoarele de frecvență cu conexiune galvanică directă au fost primele care au apărut pe piață, secțiunea lor de putere este un redresor cu tiristoare controlat, în care anumite grupuri de tiristoare de blocare sunt deschise pe rând, iar înfășurările statorului sunt conectate pe rând la rețea. Aceasta înseamnă că, în cele din urmă, tensiunea furnizată statorului este formată ca bucăți de undă sinusoidală de rețea care sunt alimentate în serie în înfășurări.

Tensiunea sinusoidală este convertită într-o tensiune dinți de ferăstrău la ieșire. Frecvența este mai mică decât rețeaua - de la 0,5 la aproximativ 40 Hz. Evident, gama acestui tip de convertor este limitată. Tiristoarele fără blocare necesită scheme de control mai complexe, ceea ce crește costul acestor dispozitive.

Părți ale undei sinusoidale de ieșire generează armonici mai mari, iar acestea sunt pierderi suplimentare și supraîncălzirea motorului cu o scădere a cuplului arborelui, în plus, nu intră perturbări slabe în rețea. Dacă sunt utilizate dispozitive de compensare, costurile cresc, dimensiunile și greutatea cresc, iar eficiența convertorului scade.

Avantajele convertoarelor de frecvență cu cuplare galvanică directă includ:

• posibilitatea de funcționare continuă cu tensiuni și curenți semnificativi;
• rezistență la suprasarcină la impuls;
• Eficiență de până la 98%;
• aplicabilitate în circuite de înaltă tensiune de la 3 la 10 kV și chiar mai mari.

În acest caz, convertoarele de frecvență de înaltă tensiune sunt, desigur, mai scumpe decât cele de joasă tensiune. Anterior, erau folosite acolo unde era necesar - și anume convertoare cu tiristoare cuplate direct.

Cu conexiune DC evidențiată

Pentru convertizoarele moderne, convertizoarele de frecvență cu un bloc DC evidențiat sunt utilizate mai pe scară largă în scopuri de reglare a frecvenței. Aici, conversia se face în doi pași. Mai întâi, tensiunea de intrare a rețelei este rectificată și filtrată, netezită, apoi alimentată la invertor, unde este convertită în curent alternativ cu frecvența necesară și tensiune cu amplitudinea necesară.

Eficiența unei astfel de conversii duble scade și dimensiunile dispozitivului devin puțin mai mari decât cele ale convertoarelor cu conexiune electrică directă. Unda sinusoidală este generată aici de un invertor autonom de curent și tensiune.

În convertizoarele de frecvență pe circuitul continuu, tiristoare cu blocare sau tranzistoare IGBT… Tiristoarele de blocare au fost utilizate în principal în primele convertoare de frecvență fabricate de acest tip, apoi, odată cu apariția pe piață a tranzistoarelor IGBT, convertoarele bazate pe acești tranzistori au început să domine printre dispozitivele de joasă tensiune.

Pentru a porni tiristorul, este suficient un impuls scurt aplicat electrodului de control, iar pentru a-l opri, este necesar să aplicați o tensiune inversă tiristorului sau să resetați curentul de comutare la zero. Este necesară o schemă de control specială - complexă și dimensională. Tranzistoarele IGBT bipolare au un control mai flexibil, un consum mai mic de energie și o viteză destul de mare.

Din acest motiv, convertizoarele de frecvență bazate pe tranzistoare IGBT au făcut posibilă extinderea gamei de viteze de control al acționării: motoarele de control vectorial asincron bazate pe tranzistoare IGBT pot funcționa în siguranță la viteze mici, fără a fi nevoie de senzori de feedback.

Microprocesoarele cuplate cu tranzistoare de mare viteză produc mai puține armonici mai mari la ieșire decât convertoarele cu tiristoare. Ca urmare, pierderile se dovedesc a fi mai mici, înfășurările și circuitul magnetic se supraîncălzi mai puțin, pulsațiile rotorului la frecvențe joase sunt reduse. Mai puține pierderi în băncile de condensatoare, în transformatoare - durata de viață a acestor elemente crește. Există mai puține erori la locul de muncă.

Dacă comparăm un convertor tiristor cu un convertor tranzistor cu aceeași putere de ieșire, atunci cel de-al doilea va cântări mai puțin, va avea dimensiuni mai mici, iar funcționarea sa va fi mai fiabilă și uniformă. Designul modular al comutatoarelor IGBT permite o disipare mai eficientă a căldurii și necesită mai puțin spațiu pentru montarea elementelor de putere, în plus, comutatoarele modulare sunt mai bine protejate de supratensiunile de comutare, adică probabilitatea de deteriorare este mai mică.

Convertizoarele de frecvență bazate pe IGBT-uri sunt mai scumpe deoarece modulele de putere sunt componente electronice complexe de fabricat. Cu toate acestea, prețul este justificat de calitate. În același timp, statisticile arată o tendință de scădere a prețurilor la tranzistoarele IGBT în fiecare an.

Principiul de funcționare al convertizorului de frecvență IGBT

Figura prezintă o diagramă a unui convertor de frecvență și grafice ale curenților și tensiunilor fiecăruia dintre elemente. Tensiunea de rețea de amplitudine și frecvență constante este alimentată la redresor, care poate fi controlat sau necontrolat. După redresor există un condensator - un filtru capacitiv. Aceste două elemente - un redresor și un condensator - formează o unitate de curent continuu.

Din filtru, o tensiune constantă este acum furnizată unui invertor de impulsuri autonom în care funcționează tranzistoarele IGBT. Diagrama prezintă o soluție tipică pentru convertoarele de frecvență moderne. Tensiunea continuă este convertită într-un impuls trifazat cu frecvență și amplitudine reglabile.

Sistemul de control dă semnale în timp util fiecărei taste, iar bobinele corespunzătoare sunt comutate secvenţial la conexiunea permanentă. În acest caz, durata conectării bobinelor la conexiune este modulată la sinus. Deci, în partea centrală a semiperioadei, lățimea pulsului este cea mai mare, iar la margini - cea mai mică. Se întâmplă aici tensiune de modulație pe lățimea impulsului pe înfăşurările statorului motorului. Frecvența PWM ajunge de obicei la 15 kHz, iar bobinele în sine funcționează ca un filtru inductiv, drept urmare curenții prin ele sunt aproape sinusoidali.

Dacă redresorul este controlat la intrare, atunci modificarea amplitudinii se face prin controlul redresorului, iar invertorul este responsabil doar de conversia frecvenței. Uneori, la ieșirea invertorului este instalat un filtru suplimentar pentru a amortiza undele de curent (foarte rar acesta este folosit la convertoarele de putere redusă).Oricum, ieșirea este tensiune trifazată și curent alternativ cu parametrii de bază definiți de utilizator.