Vrste frekvencijskih pretvarača

Uređaji koji se nazivaju frekvencijski pretvarači koriste se za pretvaranje mrežnog izmjeničnog napona industrijske frekvencije od 50/60 Hz u izmjenični napon različite frekvencije. Izlazna frekvencija pretvarača frekvencije može široko varirati, obično od 0,5 do 400 Hz. Više frekvencije su neprihvatljive za moderne motore zbog prirode materijala od kojih su izrađene jezgre statora i rotora.

Bilo koje vrste pretvarać frekvencije uključuje dva glavna dijela: upravljanje i napajanje. Upravljački dio je krug digitalnog mikro kruga koji osigurava kontrolu sklopki jedinice za napajanje, a također služi za kontrolu, dijagnostiku i zaštitu pogonskog pogona i samog pretvarača.

Dio napajanja izravno uključuje sklopke - snažne tranzistore ili tiristore. U ovom slučaju, pretvarači frekvencije su dvije vrste: s istaknutim dijelom istosmjerne struje ili s izravnom komunikacijom. Izravno spregnuti pretvarači imaju učinkovitost do 98% i mogu raditi sa značajnim naponima i strujama.Općenito, svaka od dvije spomenute vrste frekvencijskih pretvarača ima svoje prednosti i nedostatke, te bi moglo biti racionalno primijeniti jedan ili drugi za različite primjene.

Izravna komunikacija

Frekvencijski pretvarači s izravnom galvanskom vezom prvi su se pojavili na tržištu, njihov energetski dio je upravljani tiristorski ispravljač, u kojem se određene skupine tiristora za zaključavanje otvaraju naizmjenično, a namoti statora su spojeni na mrežu. To znači da je u konačnici napon koji se dovodi do statora oblikovan kao dijelovi mrežnog sinusnog vala koji se u nizu dovodi do namota.

Sinusoidalni napon se na izlazu pretvara u pilasti napon. Frekvencija je niža od mreže - od 0,5 do oko 40 Hz. Očito je domet ove vrste pretvarača ograničen. Tiristori bez zaključavanja zahtijevaju složenije upravljačke sheme, što povećava cijenu ovih uređaja.

Dijelovi izlaznog sinusnog vala generiraju više harmonike, a to su dodatni gubici i pregrijavanje motora sa smanjenjem momenta osovine, osim toga, ne slabe smetnje ulaze u mrežu. Ako se koriste kompenzacijski uređaji, opet se povećavaju troškovi, povećavaju se dimenzije i težina, a učinkovitost pretvarača smanjuje.

Prednosti frekvencijskih pretvarača s izravnom galvanskom spregom uključuju:

• mogućnost kontinuiranog rada sa značajnim naponima i strujama;
• otpornost na impulsno preopterećenje;
• Učinkovitost do 98%;
• primjenjivost u visokonaponskim krugovima od 3 do 10 kV i više.

U tom su slučaju visokonaponski pretvarači frekvencije, naravno, skuplji od niskonaponskih. Ranije su se koristili tamo gdje je bilo potrebno - naime tiristorski pretvarači s izravnim spojem.

S označenim DC priključkom

Za moderne pogone, frekvencijski pretvarači s istaknutim istosmjernim blokom se više koriste za potrebe regulacije frekvencije. Ovdje se konverzija vrši u dva koraka. Prvo se ulazni mrežni napon ispravlja i filtrira, izglađuje, zatim dovodi do pretvarača, gdje se pretvara u izmjeničnu struju potrebne frekvencije i napon potrebne amplitude.

Učinkovitost takve dvostruke pretvorbe se smanjuje, a dimenzije uređaja postaju nešto veće od onih pretvarača s izravnim električnim priključkom. Sinusni val ovdje generira autonomni pretvarač struje i napona.

U pretvaračima frekvencije istosmjernog međukruga tiristori za zatvaranje odn IGBT tranzistori… Zaporni tiristori uglavnom su korišteni u prvim proizvedenim frekvencijskim pretvaračima ovog tipa, da bi pojavom IGBT tranzistora na tržištu upravo pretvarači na bazi tih tranzistora počeli dominirati među niskonaponskim uređajima.

Za uključivanje tiristora dovoljan je kratki impuls primijenjen na upravljačku elektrodu, a za isključivanje potrebno je primijeniti obrnuti napon na tiristor ili resetirati sklopnu struju na nulu. Potrebna je posebna shema upravljanja — složena i dimenzionalna. Bipolarni IGBT tranzistori imaju fleksibilniju kontrolu, manju potrošnju energije i dosta veliku brzinu.

Iz tog razloga, frekvencijski pretvarači temeljeni na IGBT tranzistorima omogućili su proširenje raspona brzina upravljanja pogonom: asinkroni motori vektorskog upravljanja temeljeni na IGBT tranzistorima mogu sigurno raditi pri malim brzinama bez potrebe za senzorima povratne sprege.

Mikroprocesori spojeni s tranzistorima velike brzine proizvode manje viših harmonika na izlazu od tiristorskih pretvarača. Kao rezultat toga, gubici su manji, namoti i magnetski krug manje se pregrijavaju, pulsacije rotora na niskim frekvencijama su smanjene. Manje gubitaka u kondenzatorskim baterijama, u transformatorima - životni vijek ovih elemenata se povećava. Manje je grešaka u radu.

Ako usporedimo tiristorski pretvarač s tranzistorskim pretvaračem iste izlazne snage, tada će drugi težiti manje, biti manji u veličini, a njegov će rad biti pouzdaniji i ujednačeniji. Modularni dizajn IGBT sklopki omogućuje učinkovitije odvođenje topline i zahtijeva manje prostora za montažu energetskih elemenata, osim toga modularne sklopke su bolje zaštićene od sklopnih prenapona, odnosno manja je vjerojatnost oštećenja.

Frekvencijski pretvarači temeljeni na IGBT-ima su skuplji jer su energetski moduli složene elektroničke komponente za proizvodnju. Međutim, cijena je opravdana kvalitetom. Istodobno, statistike pokazuju tendenciju pada cijena IGBT tranzistora svake godine.

Princip rada IGBT frekvencijskog pretvarača

Na slici je prikazan dijagram frekvencijskog pretvarača i grafikoni struja i napona svakog od elemenata. Na ispravljač se dovodi mrežni napon konstantne amplitude i frekvencije koji može biti reguliran i nereguliran. Nakon ispravljača nalazi se kondenzator - kapacitivni filter. Ova dva elementa - ispravljač i kondenzator - čine istosmjernu jedinicu.

Iz filtra se sada konstantni napon dovodi do autonomnog pretvarača impulsa u kojem rade IGBT tranzistori. Dijagram prikazuje tipično rješenje za moderne pretvarače frekvencije. Istosmjerni napon se pretvara u trofazni impuls s podesivom frekvencijom i amplitudom.

Kontrolni sustav daje pravovremene signale svakom od ključeva, a odgovarajuće zavojnice se sekvencijalno prebacuju na stalnu vezu. U ovom slučaju, trajanje spajanja zavojnica na vezu je modulirano na sinus. Dakle, u središnjem dijelu poluperiode širina pulsa je najveća, a na rubovima - najmanja. Ovdje se događa napon modulacije širine impulsa na namotima statora motora. Frekvencija PWM obično doseže 15 kHz, a same zavojnice rade kao induktivni filtar, zbog čega su struje kroz njih gotovo sinusne.

Ako se ispravljačem upravlja na ulazu, tada se promjena amplitude vrši upravljanjem ispravljačem, a pretvarač je odgovoran samo za pretvorbu frekvencije. Ponekad se na izlazu pretvarača instalira dodatni filtar za prigušivanje strujnih valova (vrlo rijetko se to koristi u pretvaračima male snage).U svakom slučaju, izlaz je trofazni napon i izmjenična struja s osnovnim parametrima koje definira korisnik.