Typer av frekvensomformare

Enheter som kallas frekvensomvandlare används för att omvandla nätspänning med en industriell frekvens på 50/60 Hz till växelspänning med en annan frekvens. Frekvensomformarens utgångsfrekvens kan variera kraftigt, vanligtvis från 0,5 till 400 Hz. Högre frekvenser är oacceptabla för moderna motorer på grund av naturen hos de material som stator- och rotorkärnorna är gjorda av.

Vilken som helst frekvensomvandlare innehåller två huvuddelar: kontroll och strömförsörjning. Styrdelen är en krets av en digital mikrokrets som ger styrning av omkopplarna på kraftenheten och tjänar också till att styra, diagnostisera och skydda den drivna drivenheten och själva omvandlaren.

Strömförsörjningsdelen inkluderar direkt omkopplarna — kraftfulla transistorer eller tyristorer. I detta fall är frekvensomformare av två typer: med en markerad del av likström eller med direktkommunikation. Direktkopplade omvandlare har en verkningsgrad på upp till 98 % och kan arbeta med betydande spänningar och strömmar.I allmänhet har var och en av de två nämnda typerna av frekvensomformare individuella fördelar och nackdelar, och det kan vara rationellt att använda den ena eller den andra för olika tillämpningar.

Direkt kommunikation

Frekvensomvandlare med direkt galvanisk anslutning var de första som dök upp på marknaden, deras kraftsektion är en kontrollerad tyristorlikriktare, där vissa grupper av låstyristorer öppnas i tur och ordning och statorlindningarna är anslutna i sin tur till nätverket. Detta innebär att spänningen som tillförs statorn i slutändan är formad som delar av en nätsinusvåg som matas i serie till lindningarna.

Den sinusformade spänningen omvandlas till en sågtandsspänning vid utgången. Frekvensen är lägre än elnätet — från 0,5 till cirka 40 Hz. Uppenbarligen är räckvidden för denna typ av omvandlare begränsad. Icke-låsande tyristorer kräver mer komplexa kontrollscheman, vilket ökar kostnaderna för dessa enheter.

Delar av den utgående sinusvågen genererar högre övertoner, och dessa är ytterligare förluster och överhettning av motorn med en minskning av axelmomentet, dessutom kommer inte svaga störningar in i nätverket. Om kompensationsanordningar används ökar kostnaderna igen, dimensioner och vikt ökar och omvandlarens effektivitet minskar.

Fördelarna med frekvensomriktare med direkt galvanisk koppling inkluderar:

• möjligheten till kontinuerlig drift med betydande spänningar och strömmar;
• impulsöverbelastningsmotstånd;
• Effektivitet upp till 98 %;
• tillämpbarhet i högspänningskretsar från 3 till 10 kV och ännu högre.

I det här fallet är högspänningsfrekvensomformare naturligtvis dyrare än lågspännings. Tidigare användes de där det behövdes – nämligen direktkopplade tyristoromvandlare.

Med DC-anslutning markerad

För moderna frekvensomriktare används frekvensomriktare med ett markerat DC-block i större utsträckning för frekvensregleringsändamål. Här görs konverteringen i två steg. Först likriktas och filtreras den ingående nätspänningen, utjämnas och matas sedan till växelriktaren, där den omvandlas till växelström med erforderlig frekvens och spänning med erforderlig amplitud.

Effektiviteten för en sådan dubbelkonvertering minskar och enhetens dimensioner blir något större än för omvandlare med direkt elektrisk anslutning. Sinusvågen genereras här av en autonom ström- och spänningsomriktare.

I DC-link frekvensomformare, låsande tyristorer eller IGBT transistorer… Låsande tyristorer användes huvudsakligen i de första tillverkade frekvensomvandlarna av denna typ, sedan, med uppkomsten av IGBT-transistorer på marknaden, var det omvandlare baserade på dessa transistorer som började dominera bland lågspänningsenheter.

För att slå på tyristorn räcker det med en kort puls som appliceras på kontrollelektroden, och för att stänga av den är det nödvändigt att applicera en omvänd spänning på tyristorn eller återställa omkopplingsströmmen till noll. Ett speciellt kontrollschema krävs - komplext och dimensionellt. Bipolära IGBT-transistorer har mer flexibel styrning, lägre strömförbrukning och ganska hög hastighet.

Av denna anledning har frekvensomvandlare baserade på IGBT-transistorer gjort det möjligt att utöka omfånget av frekvensomriktarstyrningshastigheter: asynkrona vektorstyrningsmotorer baserade på IGBT-transistorer kan säkert arbeta vid låga hastigheter utan behov av återkopplingssensorer.

Mikroprocessorer kopplade med höghastighetstransistorer producerar färre högre övertoner vid utgången än tyristoromvandlare. Som ett resultat visar sig förlusterna vara mindre, lindningarna och magnetkretsen överhettas mindre, rotorpulsationerna vid låga frekvenser reduceras. Mindre förluster i kondensatorbanker, i transformatorer - livslängden för dessa element ökar. Det är färre fel på jobbet.

Om vi ​​jämför en tyristoromvandlare med en transistoromvandlare med samma uteffekt, kommer den andra att väga mindre, vara mindre i storlek och dess drift kommer att vara mer tillförlitlig och enhetlig. Den modulära designen av IGBT-omkopplare möjliggör effektivare värmeavledning och kräver mindre utrymme för montering av kraftelement, dessutom är modulära omkopplare bättre skyddade från strömbrytare, det vill säga sannolikheten för skador är lägre.

Frekvensomvandlare baserade på IGBT är dyrare eftersom kraftmoduler är komplexa elektroniska komponenter att tillverka. Priset motiveras dock av kvaliteten. Samtidigt visar statistiken en tendens att sänka priserna på IGBT-transistorer varje år.

Funktionsprincipen för IGBT-frekvensomformaren

Figuren visar ett diagram över en frekvensomformare och grafer över strömmar och spänningar för vart och ett av elementen. Nätspänning med konstant amplitud och frekvens matas till likriktaren, som kan vara styrd eller okontrollerad. Efter likriktaren finns en kondensator - ett kapacitivt filter. Dessa två element - en likriktare och en kondensator - bildar en DC-enhet.

Från filtret tillförs nu en konstant spänning till en autonom pulsväxelriktare där IGBT-transistorerna arbetar. Diagrammet visar en typisk lösning för moderna frekvensomriktare. Likspänningen omvandlas till en trefaspuls med justerbar frekvens och amplitud.

Styrsystemet ger snabba signaler till var och en av nycklarna, och motsvarande spolar växlas sekventiellt till den permanenta anslutningen. I detta fall moduleras varaktigheten av att ansluta spolarna till anslutningen till sinus. Så i den centrala delen av halvperioden är pulsens bredd den största och vid kanterna - den minsta. Det händer här pulsbreddsmodulationsspänning på motorns statorlindningar. Frekvensen för PWM når vanligtvis 15 kHz, och spolarna själva fungerar som ett induktivt filter, vilket gör att strömmarna genom dem är nästan sinusformade.

Om likriktaren styrs vid ingången, görs amplitudändringen genom att styra likriktaren, och växelriktaren ansvarar endast för frekvensomvandlingen. Ibland installeras ett extra filter vid växelriktarens utgång för att dämpa strömvågor (mycket sällan används detta i lågeffektomvandlare).Oavsett vilket är utgången trefasspänning och växelström med användardefinierade grundparametrar.