Μετατροπέας συχνότητας - τύποι, αρχή λειτουργίας, σχήματα σύνδεσης

Ο ρότορας οποιουδήποτε ηλεκτροκινητήρα κινείται από δυνάμεις που προκαλούνται από ένα περιστρεφόμενο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο μέσα στην περιέλιξη του στάτορα. Η ταχύτητά του καθορίζεται συνήθως από τη βιομηχανική συχνότητα του ηλεκτρικού δικτύου.

Η τυπική του τιμή των 50 hertz υποδηλώνει πενήντα περιόδους ταλάντωσης σε ένα δευτερόλεπτο. Σε ένα λεπτό, ο αριθμός τους αυξάνεται 60 φορές και είναι 50×60 = 3000 στροφές. Ο ρότορας περιστρέφεται ίδιες φορές υπό την επίδραση του εφαρμοζόμενου ηλεκτρομαγνητικού πεδίου.

Εάν αλλάξετε την τιμή της συχνότητας δικτύου που εφαρμόζεται στον στάτορα, μπορείτε να προσαρμόσετε την ταχύτητα περιστροφής του ρότορα και του ηλεκτροκινητήρα που είναι συνδεδεμένος σε αυτόν. Αυτή η αρχή είναι η βάση του ελέγχου των ηλεκτροκινητήρων.

Τύποι μετατροπέων συχνότητας

Σύμφωνα με το σχεδιασμό, οι μετατροπείς συχνότητας είναι:

1. επαγωγικός τύπος.

2. ηλεκτρονικά.

Κατασκευάζονται ασύγχρονοι κινητήρες σύμφωνα με το σχήμα με ρότορα φάσης και ξεκίνησε σε λειτουργία γεννήτριας, είναι εκπρόσωποι του πρώτου τύπου. Κατά τη λειτουργία, έχουν χαμηλή απόδοση και χαρακτηρίζονται από χαμηλή απόδοση.Ως εκ τούτου, δεν έχουν βρει ευρεία εφαρμογή στην παραγωγή και χρησιμοποιούνται εξαιρετικά σπάνια.

Η μέθοδος ηλεκτρονικής μετατροπής συχνότητας επιτρέπει την ομαλή ρύθμιση της ταχύτητας τόσο των ασύγχρονων όσο και των σύγχρονων μηχανών. Σε αυτήν την περίπτωση, μπορεί να εφαρμοστεί μία από τις δύο αρχές ελέγχου:

1. Σύμφωνα με ένα προκαθορισμένο χαρακτηριστικό της εξάρτησης της ταχύτητας περιστροφής από τη συχνότητα (V / f).

2. μέθοδος ελέγχου διανύσματος.

Η πρώτη μέθοδος είναι η απλούστερη και λιγότερο τέλεια και η δεύτερη χρησιμοποιείται για τον ακριβή έλεγχο των ταχυτήτων περιστροφής κρίσιμου βιομηχανικού εξοπλισμού.

Χαρακτηριστικά του διανυσματικού ελέγχου μετατροπής συχνότητας

Η διαφορά μεταξύ αυτής της μεθόδου είναι η αλληλεπίδραση, η επίδραση της συσκευής ελέγχου του μετατροπέα στο «διάνυσμα χώρου» της μαγνητικής ροής που περιστρέφεται με τη συχνότητα του πεδίου του ρότορα.

Οι αλγόριθμοι για τους μετατροπείς που λειτουργούν με αυτήν την αρχή δημιουργούνται με δύο τρόπους:

1. Έλεγχος χωρίς αισθητήρα.

2. ρύθμιση ροής.

Η πρώτη μέθοδος βασίζεται στον προσδιορισμό μιας ορισμένης εξάρτησης από την εναλλαγή των ακολουθιών διαμόρφωση πλάτους παλμού (PWM) μετατροπέας για προκαθορισμένους αλγόριθμους. Σε αυτήν την περίπτωση, το πλάτος και η συχνότητα της τάσης εξόδου του μετατροπέα ελέγχονται από το ρεύμα ολίσθησης και το φορτίο, αλλά χωρίς τη χρήση ανάδρασης ταχύτητας ρότορα.

Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται κατά τον έλεγχο πολλών ηλεκτρικών κινητήρων που συνδέονται παράλληλα με τον μετατροπέα συχνότητας.Ο έλεγχος ροής περιλαμβάνει την παρακολούθηση των ρευμάτων λειτουργίας μέσα στον κινητήρα με την αποσύνθεσή τους σε ενεργά και αντιδρώντα εξαρτήματα και την πραγματοποίηση προσαρμογών στη λειτουργία του μετατροπέα για τον καθορισμό του πλάτους, της συχνότητας και της γωνίας για τα διανύσματα τάσης εξόδου.

Αυτό βελτιώνει την ακρίβεια του κινητήρα και αυξάνει τα όρια ρύθμισής του. Η χρήση του ελέγχου ροής επεκτείνει τις δυνατότητες των ηλεκτροκινητήρων που λειτουργούν σε χαμηλές ταχύτητες με υψηλά δυναμικά φορτία, όπως ανυψωτικά γερανού ή μηχανές βιομηχανικής περιέλιξης.

Η χρήση της τεχνολογίας διανυσμάτων επιτρέπει την εφαρμογή δυναμικού ελέγχου ροπής τριφασικοί ασύγχρονοι κινητήρες. 

Ισοδύναμο κύκλωμα

Ένα βασικό απλοποιημένο ηλεκτρικό κύκλωμα ενός κινητήρα επαγωγής μπορεί να αναπαρασταθεί ως εξής.

Εφαρμόζεται τάση u1 στις περιελίξεις του στάτη, οι οποίες έχουν ενεργή αντίσταση R1 και επαγωγική αντίσταση X1. Αυτό, ξεπερνώντας την αντίσταση του διακένου αέρα Xv, μετατρέπεται στην περιέλιξη του ρότορα, προκαλώντας σε αυτό ένα ρεύμα που υπερνικά την αντίστασή του.

Ισοδύναμο κύκλωμα διανυσματικού κυκλώματος

Η κατασκευή του βοηθά στην κατανόηση των διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στον επαγωγικό κινητήρα.

Η ενέργεια του ρεύματος του στάτη χωρίζεται σε δύο μέρη:

• iµ — χώρισμα σχηματισμού ροής.

• iw — στοιχείο δημιουργίας ροπής.

Σε αυτή την περίπτωση, ο ρότορας έχει ενεργή αντίσταση εξαρτώμενη από την ολίσθηση R2 / s.

Για έλεγχο χωρίς αισθητήρα, μετρώνται τα ακόλουθα:

• τάση u1;

• τρέχον i1.

Σύμφωνα με τις τιμές τους υπολογίζουν:

• iµ — συστατικό ροής που σχηματίζει τη ροή.

• iw — ροπή παραγωγής αξίας.

Ο αλγόριθμος υπολογισμού περιλαμβάνει πλέον ένα ηλεκτρονικό ισοδύναμο κύκλωμα επαγωγικού κινητήρα με ρυθμιστές ρεύματος, το οποίο λαμβάνει υπόψη τις συνθήκες κορεσμού του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου και τις απώλειες μαγνητικής ενέργειας στον χάλυβα.

Και τα δύο συστατικά των διανυσμάτων ρεύματος, διαφορετικά σε γωνία και πλάτος, περιστρέφονται μαζί με το σύστημα συντεταγμένων του δρομέα και γίνονται ένα σταθερό σύστημα προσανατολισμού του στάτη.

Σύμφωνα με αυτήν την αρχή, οι παράμετροι του μετατροπέα συχνότητας προσαρμόζονται ανάλογα με το φορτίο του κινητήρα επαγωγής.

Η αρχή λειτουργίας του μετατροπέα συχνότητας

Αυτή η συσκευή, η οποία ονομάζεται επίσης μετατροπέας, βασίζεται σε διπλή αλλαγή της κυματομορφής του τροφοδοτικού δικτύου.

Αρχικά, η βιομηχανική τάση τροφοδοτείται σε έναν ανορθωτή με ισχυρές διόδους που αφαιρούν τις ημιτονοειδείς αρμονικές αλλά αφήνουν τους κυματισμούς του σήματος. Για την αφαίρεσή τους παρέχεται συστοιχία πυκνωτών με επαγωγή (φίλτρο LC), η οποία παρέχει σταθερό, λειασμένο σχήμα στην ανορθωμένη τάση.

Στη συνέχεια, το σήμα πηγαίνει στην είσοδο του μετατροπέα συχνότητας, που είναι ένα τριφασικό κύκλωμα γέφυρας έξι τρανζίστορ ισχύος Σειρά IGBT ή MOSFET με διόδους προστασίας τάσης αντίστροφης πολικότητας. Τα θυρίστορ που χρησιμοποιήθηκαν στο παρελθόν για αυτούς τους σκοπούς δεν έχουν επαρκή ταχύτητα και λειτουργούν με μεγάλες διαταραχές.

Για να ενεργοποιήσετε τη λειτουργία «φρένου» του κινητήρα, μπορεί να εγκατασταθεί στο κύκλωμα ένα ελεγχόμενο τρανζίστορ με ισχυρή αντίσταση που διαχέει ενέργεια. Αυτή η τεχνική επιτρέπει την αφαίρεση της τάσης που παράγεται από τον κινητήρα για την προστασία των πυκνωτών του φίλτρου από υπερφόρτιση και ζημιά.

Η μέθοδος ελέγχου της διανυσματικής συχνότητας του μετατροπέα σάς επιτρέπει να δημιουργείτε κυκλώματα που εκτελούν αυτόματο έλεγχο του σήματος από συστήματα ACS. Για αυτό χρησιμοποιείται ένα σύστημα διαχείρισης:

1. πλάτος?

2. PWM (προσομοίωση πλάτους παλμού).

Η μέθοδος ελέγχου πλάτους βασίζεται στην αλλαγή της τάσης εισόδου και το PWM βασίζεται στον αλγόριθμο για την εναλλαγή των τρανζίστορ ισχύος σε σταθερή τάση εισόδου.

Με τη ρύθμιση PWM, δημιουργείται μια περίοδος διαμόρφωσης σήματος όταν η περιέλιξη του στάτη συνδέεται με αυστηρή σειρά στους θετικούς και αρνητικούς ακροδέκτες του ανορθωτή.

Δεδομένου ότι η συχνότητα ρολογιού της γεννήτριας είναι αρκετά υψηλή, τότε στην περιέλιξη του ηλεκτροκινητήρα, που έχει επαγωγική αντίσταση, εξομαλύνονται σε ένα κανονικό ημιτονοειδές κύμα.

Οι μέθοδοι ελέγχου PWM μεγιστοποιούν την εξάλειψη των απωλειών ενέργειας και παρέχουν υψηλή απόδοση μετατροπής λόγω του ταυτόχρονου ελέγχου συχνότητας και πλάτους. Έχουν γίνει διαθέσιμα λόγω της ανάπτυξης τεχνολογιών ελέγχου θυρίστορ με κλειδαριά ισχύος της σειράς GTO ή διπολικών μάρκες τρανζίστορ IGBT με μόνωση πύλης.

Οι αρχές της συμπερίληψής τους για τον έλεγχο ενός τριφασικού κινητήρα φαίνονται στη φωτογραφία.

Κάθε ένα από τα έξι IGBT συνδέεται σε αντιπαράλληλο κύκλωμα στη δική του δίοδο αντίστροφου ρεύματος. Σε αυτή την περίπτωση, το ενεργό ρεύμα του κινητήρα επαγωγής διέρχεται από το κύκλωμα ισχύος κάθε τρανζίστορ και το αντιδραστικό στοιχείο του κατευθύνεται μέσω των διόδων.

Προκειμένου να εξαλειφθεί η επίδραση του εξωτερικού ηλεκτρικού θορύβου στη λειτουργία του μετατροπέα και του κινητήρα, το κύκλωμα του μετατροπέα συχνότητας μπορεί να περιλαμβάνει φίλτρο μείωσης θορύβουεκκαθάριση:

• ραδιοπαρεμβολές?

• ηλεκτρικές εκκενώσεις που προκαλούνται από τον εξοπλισμό λειτουργίας.

Αυτά σηματοδοτούνται από τον ελεγκτή και χρησιμοποιείται θωρακισμένη καλωδίωση μεταξύ του κινητήρα και των ακροδεκτών εξόδου του μετατροπέα για τη μείωση των κραδασμών.

Για τη βελτίωση της ακρίβειας λειτουργίας των ασύγχρονων κινητήρων, το κύκλωμα ελέγχου των μετατροπέων συχνότητας περιλαμβάνει:

• Είσοδος επικοινωνίας με προηγμένες δυνατότητες διεπαφής.

• ενσωματωμένο ελεγκτή?

• κάρτα μνήμης;

• λογισμικό;

• ενημερωτική οθόνη LED που δείχνει τις κύριες παραμέτρους εξόδου.

• κόφτης φρένων και ενσωματωμένο φίλτρο EMC.

• σύστημα ψύξης κυκλώματος που βασίζεται σε φύσημα με ανεμιστήρες αυξημένου πόρου.

• η λειτουργία θέρμανσης του κινητήρα με συνεχές ρεύμα και κάποιες άλλες δυνατότητες.

Λειτουργικά διαγράμματα καλωδίωσης

Οι μετατροπείς συχνότητας έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν με μονοφασικά ή τριφασικά δίκτυα. Ωστόσο, εάν υπάρχουν βιομηχανικές πηγές συνεχούς ρεύματος με τάση 220 βολτ, τότε οι μετατροπείς μπορούν να τροφοδοτηθούν από αυτές.

Τα τριφασικά μοντέλα έχουν σχεδιαστεί για τάση δικτύου 380 βολτ και την τροφοδοτούν στον ηλεκτροκινητήρα. Οι μονοφασικοί μετατροπείς τροφοδοτούνται με 220 βολτ και εξάγουν τρεις φάσεις κατανεμημένες με την πάροδο του χρόνου.

Το σχήμα σύνδεσης του μετατροπέα συχνότητας με τον κινητήρα μπορεί να πραγματοποιηθεί σύμφωνα με τα σχήματα:

• αστέρια?

• τρίγωνο.

Οι περιελίξεις του κινητήρα συναρμολογούνται σε ένα «αστέρι» για τον μετατροπέα, που τροφοδοτείται από ένα τριφασικό δίκτυο 380 βολτ.

Σύμφωνα με το σχήμα "τρίγωνο", οι περιελίξεις του κινητήρα συναρμολογούνται όταν ο μετατροπέας ισχύος συνδέεται σε ένα μονοφασικό δίκτυο 220 volt.

Όταν επιλέγετε μια μέθοδο σύνδεσης ηλεκτρικού κινητήρα σε μετατροπέα συχνότητας, πρέπει να προσέχετε την αναλογία ισχύος που μπορεί να δημιουργήσει ένας κινητήρας σε λειτουργία σε όλους τους τρόπους λειτουργίας, συμπεριλαμβανομένης μιας αργής, φορτωμένης εκκίνησης, με τις δυνατότητες του μετατροπέα.

Είναι αδύνατο να υπερφορτώνετε συνεχώς τον μετατροπέα συχνότητας και ένα μικρό απόθεμα της ισχύος εξόδου του θα εξασφαλίσει τη μακροχρόνια και απρόσκοπτη λειτουργία του.