Τύποι μετατροπέων συχνότητας

Οι συσκευές που ονομάζονται μετατροπείς συχνότητας χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή της τάσης AC με βιομηχανική συχνότητα 50/60 Hz σε τάση AC διαφορετικής συχνότητας. Η συχνότητα εξόδου του μετατροπέα συχνότητας μπορεί να ποικίλλει ευρέως, συνήθως από 0,5 έως 400 Hz. Οι υψηλότερες συχνότητες είναι απαράδεκτες για τους σύγχρονους κινητήρες λόγω της φύσης των υλικών από τα οποία κατασκευάζονται οι πυρήνες του στάτορα και του ρότορα.

Κάθε είδους μετατροπέας συχνότητας περιλαμβάνει δύο κύρια μέρη: έλεγχο και παροχή ρεύματος. Το τμήμα ελέγχου είναι ένα κύκλωμα ενός ψηφιακού μικροκυκλώματος που παρέχει τον έλεγχο των διακοπτών της μονάδας ισχύος και επίσης χρησιμεύει για τον έλεγχο, τη διάγνωση και την προστασία του οδηγού και του ίδιου του μετατροπέα.

Το τμήμα τροφοδοσίας περιλαμβάνει απευθείας τους διακόπτες — ισχυρά τρανζίστορ ή θυρίστορ. Σε αυτή την περίπτωση, οι μετατροπείς συχνότητας είναι δύο τύπων: με επισημασμένο τμήμα συνεχούς ρεύματος ή με άμεση επικοινωνία. Οι μετατροπείς απευθείας σύζευξης έχουν απόδοση έως και 98% και μπορούν να λειτουργήσουν με σημαντικές τάσεις και ρεύματα.Γενικά, καθένας από τους δύο τύπους μετατροπέων συχνότητας που αναφέρονται έχει μεμονωμένα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα και μπορεί να είναι λογικό να εφαρμοστεί ο ένας ή ο άλλος για διαφορετικές εφαρμογές.

Άμεση επικοινωνία

Οι μετατροπείς συχνότητας με άμεση γαλβανική σύνδεση ήταν οι πρώτοι που εμφανίστηκαν στην αγορά, το τμήμα ισχύος τους είναι ένας ανορθωτής ελεγχόμενου θυρίστορ, στον οποίο ορισμένες ομάδες θυρίστορ ασφάλισης ανοίγουν με τη σειρά τους και οι περιελίξεις του στάτη συνδέονται με τη σειρά τους στο δίκτυο. Αυτό σημαίνει ότι τελικά η τάση που παρέχεται στον στάτορα διαμορφώνεται ως κομμάτια ενός ημιτονοειδούς κύματος δικτύου που τροφοδοτούνται σε σειρά στις περιελίξεις.

Η ημιτονοειδής τάση μετατρέπεται σε τάση πριονωτή στην έξοδο. Η συχνότητα είναι χαμηλότερη από το δίκτυο - από 0,5 έως περίπου 40 Hz. Προφανώς, η γκάμα αυτού του τύπου μετατροπέα είναι περιορισμένη. Τα μη κλειδωμένα θυρίστορ απαιτούν πιο σύνθετα συστήματα ελέγχου, γεγονός που αυξάνει το κόστος αυτών των συσκευών.

Μέρη του ημιτονοειδούς κύματος εξόδου παράγουν υψηλότερες αρμονικές και αυτές είναι πρόσθετες απώλειες και υπερθέρμανση του κινητήρα με μείωση της ροπής του άξονα, επιπλέον, δεν εισέρχονται ασθενείς διαταραχές στο δίκτυο. Εάν χρησιμοποιούνται συσκευές αντιστάθμισης, τότε και πάλι το κόστος αυξάνεται, οι διαστάσεις και το βάρος αυξάνονται και η απόδοση του μετατροπέα μειώνεται.

Τα πλεονεκτήματα των μετατροπέων συχνότητας με άμεση γαλβανική σύζευξη περιλαμβάνουν:

• τη δυνατότητα συνεχούς λειτουργίας με σημαντικές τάσεις και ρεύματα.
• αντίσταση υπερφόρτωσης παλμών.
• Απόδοση έως και 98%.
• δυνατότητα εφαρμογής σε κυκλώματα υψηλής τάσης από 3 έως 10 kV και ακόμη υψηλότερα.

Σε αυτή την περίπτωση, οι μετατροπείς συχνότητας υψηλής τάσης είναι, φυσικά, πιο ακριβοί από αυτούς της χαμηλής τάσης. Προηγουμένως, χρησιμοποιούνταν όπου χρειαζόταν - δηλαδή μετατροπείς θυρίστορ άμεσης σύζευξης.

Με επισημασμένη σύνδεση DC

Για τους σύγχρονους δίσκους, οι μετατροπείς συχνότητας με τονισμένο μπλοκ DC χρησιμοποιούνται ευρύτερα για σκοπούς ρύθμισης συχνότητας. Εδώ, η μετατροπή γίνεται σε δύο βήματα. Αρχικά, η τάση του δικτύου εισόδου διορθώνεται και φιλτράρεται, εξομαλύνεται, στη συνέχεια τροφοδοτείται στον μετατροπέα, όπου μετατρέπεται σε εναλλασσόμενο ρεύμα με την απαιτούμενη συχνότητα και τάση με το απαιτούμενο πλάτος.

Η απόδοση μιας τέτοιας διπλής μετατροπής μειώνεται και οι διαστάσεις της συσκευής γίνονται ελαφρώς μεγαλύτερες από αυτές των μετατροπέων με απευθείας ηλεκτρική σύνδεση. Το ημιτονοειδές κύμα δημιουργείται εδώ από έναν αυτόνομο μετατροπέα ρεύματος και τάσης.

Σε μετατροπείς συχνότητας σύνδεσης DC, θυρίστορ μανδάλωσης ή Τρανζίστορ IGBT… Τα θυρίστορ κλειδώματος χρησιμοποιήθηκαν κυρίως στους πρώτους κατασκευασμένους μετατροπείς συχνότητας αυτού του τύπου, στη συνέχεια, με την εμφάνιση των τρανζίστορ IGBT στην αγορά, οι μετατροπείς βασισμένοι σε αυτά τα τρανζίστορ άρχισαν να κυριαρχούν μεταξύ των συσκευών χαμηλής τάσης.

Για να ενεργοποιήσετε το θυρίστορ, αρκεί ένας σύντομος παλμός που εφαρμόζεται στο ηλεκτρόδιο ελέγχου και για να το απενεργοποιήσετε, είναι απαραίτητο να εφαρμόσετε αντίστροφη τάση στο θυρίστορ ή να μηδενίσετε το ρεύμα μεταγωγής. Απαιτείται ένα ειδικό σχήμα ελέγχου — πολύπλοκο και διαστατικό. Τα διπολικά τρανζίστορ IGBT έχουν πιο ευέλικτο έλεγχο, χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας και αρκετά υψηλή ταχύτητα.

Για το λόγο αυτό, οι μετατροπείς συχνότητας που βασίζονται σε τρανζίστορ IGBT επέτρεψαν την επέκταση του εύρους ταχυτήτων ελέγχου μετάδοσης κίνησης: οι ασύγχρονοι διανυσματικοί κινητήρες ελέγχου που βασίζονται σε τρανζίστορ IGBT μπορούν να λειτουργήσουν με ασφάλεια σε χαμηλές ταχύτητες χωρίς την ανάγκη αισθητήρων ανάδρασης.

Οι μικροεπεξεργαστές σε συνδυασμό με τρανζίστορ υψηλής ταχύτητας παράγουν λιγότερες υψηλότερες αρμονικές στην έξοδο από τους μετατροπείς θυρίστορ. Ως αποτέλεσμα, οι απώλειες αποδεικνύονται μικρότερες, οι περιελίξεις και το μαγνητικό κύκλωμα υπερθερμαίνονται λιγότερο, οι παλμοί του ρότορα σε χαμηλές συχνότητες μειώνονται. Λιγότερες απώλειες σε τράπεζες πυκνωτών, σε μετασχηματιστές - η διάρκεια ζωής αυτών των στοιχείων αυξάνεται. Υπάρχουν λιγότερα λάθη στην εργασία.

Εάν συγκρίνουμε έναν μετατροπέα θυρίστορ με έναν μετατροπέα τρανζίστορ με την ίδια ισχύ εξόδου, τότε ο δεύτερος θα ζυγίζει λιγότερο, θα είναι μικρότερος σε μέγεθος και η λειτουργία του θα είναι πιο αξιόπιστη και ομοιόμορφη. Ο αρθρωτός σχεδιασμός των διακοπτών IGBT επιτρέπει πιο αποτελεσματική απαγωγή θερμότητας και απαιτεί λιγότερο χώρο για την τοποθέτηση στοιχείων ισχύος, επιπλέον, οι αρθρωτοί διακόπτες προστατεύονται καλύτερα από τις υπερτάσεις μεταγωγής, δηλαδή η πιθανότητα βλάβης είναι μικρότερη.

Οι μετατροπείς συχνότητας που βασίζονται σε IGBT είναι πιο ακριβοί επειδή οι μονάδες ισχύος είναι πολύπλοκα ηλεκτρονικά εξαρτήματα για κατασκευή. Ωστόσο, η τιμή δικαιολογείται από την ποιότητα. Ταυτόχρονα, οι στατιστικές δείχνουν μια τάση μείωσης των τιμών των τρανζίστορ IGBT κάθε χρόνο.

Η αρχή λειτουργίας του μετατροπέα συχνότητας IGBT

Το σχήμα δείχνει ένα διάγραμμα ενός μετατροπέα συχνότητας και γραφήματα των ρευμάτων και των τάσεων καθενός από τα στοιχεία. Τάση δικτύου σταθερού πλάτους και συχνότητας τροφοδοτείται στον ανορθωτή, ο οποίος μπορεί να ελεγχθεί ή να μην ελεγχθεί. Μετά τον ανορθωτή υπάρχει ένας πυκνωτής - ένα χωρητικό φίλτρο. Αυτά τα δύο στοιχεία - ένας ανορθωτής και ένας πυκνωτής - σχηματίζουν μια μονάδα DC.

Από το φίλτρο, μια σταθερή τάση παρέχεται τώρα σε έναν αυτόνομο παλμικό μετατροπέα στον οποίο λειτουργούν τα τρανζίστορ IGBT. Το διάγραμμα δείχνει μια τυπική λύση για σύγχρονους μετατροπείς συχνότητας. Η άμεση τάση μετατρέπεται σε τριφασικό παλμό με ρυθμιζόμενη συχνότητα και πλάτος.

Το σύστημα ελέγχου δίνει έγκαιρα σήματα σε κάθε ένα από τα πλήκτρα και τα αντίστοιχα πηνία μεταβαίνουν διαδοχικά στη μόνιμη σύνδεση. Σε αυτή την περίπτωση, η διάρκεια σύνδεσης των πηνίων στη σύνδεση διαμορφώνεται σε ημιτονοειδές. Έτσι, στο κεντρικό τμήμα της μισής περιόδου, το πλάτος του παλμού είναι το μεγαλύτερο και στις άκρες - το μικρότερο. Συμβαίνει εδώ τάση διαμόρφωσης πλάτους παλμού στις περιελίξεις του στάτορα του κινητήρα. Η συχνότητα του PWM συνήθως φτάνει τα 15 kHz και τα ίδια τα πηνία λειτουργούν ως επαγωγικό φίλτρο, με αποτέλεσμα τα ρεύματα που διαπερνούν αυτά να είναι σχεδόν ημιτονοειδή.

Εάν ο ανορθωτής ελέγχεται στην είσοδο, τότε η αλλαγή του πλάτους γίνεται με τον έλεγχο του ανορθωτή και ο μετατροπέας είναι υπεύθυνος μόνο για τη μετατροπή συχνότητας. Μερικές φορές ένα πρόσθετο φίλτρο εγκαθίσταται στην έξοδο του μετατροπέα για την απόσβεση των κυμάτων ρεύματος (πολύ σπάνια αυτό χρησιμοποιείται σε μετατροπείς χαμηλής ισχύος).Είτε έτσι είτε αλλιώς, η έξοδος είναι τριφασική τάση και ρεύμα AC με βασικές παραμέτρους που ορίζονται από το χρήστη.