Frekvenčný menič - typy, princíp činnosti, schémy zapojenia

Rotor akéhokoľvek elektromotora je poháňaný silami spôsobenými rotujúcim elektromagnetickým poľom vo vnútri vinutia statora. Jeho rýchlosť je zvyčajne určená priemyselnou frekvenciou elektrickej siete.

Jeho štandardná hodnota 50 hertzov znamená päťdesiat periód oscilácie za jednu sekundu. Za jednu minútu sa ich počet zvýši 60-krát a je 50×60 = 3000 otáčok. Rotor sa pod vplyvom aplikovaného elektromagnetického poľa otočí rovnako veľakrát.

Ak zmeníte hodnotu sieťovej frekvencie aplikovanej na stator, môžete upraviť rýchlosť otáčania rotora a k nemu pripojeného pohonu. Tento princíp je základom riadenia elektromotorov.

Typy frekvenčných meničov

Podľa návrhu sú frekvenčné meniče:

1. indukčný typ;

2. elektronický.

Vyrábané asynchrónne motory podľa schémy s fázovým rotorom a spustené v režime generátora, sú zástupcami prvého typu. Počas prevádzky majú nízku účinnosť a vyznačujú sa nízkou účinnosťou.Preto nenašli široké uplatnenie vo výrobe a používajú sa extrémne zriedkavo.

Metóda elektronickej frekvenčnej konverzie umožňuje plynulú reguláciu otáčok asynchrónnych aj synchrónnych strojov. V tomto prípade možno použiť jeden z dvoch princípov kontroly:

1. Podľa vopred stanovenej charakteristiky závislosti rýchlosti otáčania od frekvencie (V / f);

2. metóda vektorového riadenia.

Prvá metóda je najjednoduchšia a menej dokonalá a druhá sa používa na presné riadenie otáčok kritických priemyselných zariadení.

Vlastnosti vektorového riadenia frekvenčnej konverzie

Rozdiel medzi touto metódou je interakcia, vplyv riadiaceho zariadenia meniča na «priestorový vektor» magnetického toku rotujúceho s frekvenciou rotorového poľa.

Algoritmy pre prevodníky pracujúce na tomto princípe sú vytvorené dvoma spôsobmi:

1. bezsenzorové ovládanie;

2. regulácia prietoku.

Prvý spôsob je založený na určení určitej závislosti od striedania sekvencií pulzne šírková modulácia (PWM) invertor pre prednastavené algoritmy. V tomto prípade sú amplitúda a frekvencia výstupného napätia meniča riadené sklzovým prúdom a záťažou, ale bez použitia spätnej väzby otáčok rotora.

Táto metóda sa používa pri riadení viacerých elektromotorov zapojených paralelne s frekvenčným meničom.Riadenie toku zahŕňa monitorovanie prevádzkových prúdov vo vnútri motora s ich rozkladom na aktívne a reaktívne zložky a vykonávaním úprav prevádzky meniča na nastavenie amplitúdy, frekvencie a uhla pre vektory výstupného napätia.

To zlepšuje presnosť motora a zvyšuje limity jeho nastavenia. Použitie riadenia prietoku rozširuje možnosti pohonov pracujúcich pri nízkych otáčkach s vysokým dynamickým zaťažením, ako sú žeriavové kladkostroje alebo priemyselné navíjacie stroje.

Použitie vektorovej technológie umožňuje implementovať dynamické riadenie krútiaceho momentu trojfázové asynchrónne motory. 

Ekvivalentný obvod

Základný zjednodušený elektrický obvod indukčného motora možno znázorniť nasledovne.

Napätie u1 sa privádza na vinutia statora, ktoré majú aktívny odpor R1 a indukčný odpor X1. Prekonaním odporu vzduchovej medzery Xv sa premení na vinutie rotora, čím sa v ňom vyvolá prúd, ktorý prekoná jeho odpor.

Ekvivalentný obvod vektorového obvodu

Jeho konštrukcia pomáha pochopiť procesy prebiehajúce v indukčnom motore.

Energia prúdu statora je rozdelená na dve časti:

• iµ — priečka vytvárajúca tok;

• iw — moment generujúci komponent.

V tomto prípade má rotor aktívny odpor R2 / s závislý od sklzu.

Pri bezsenzorovom riadení sa meria:

• napätie u1;

• prúd i1.

Podľa svojich hodnôt vypočítajú:

• iµ — zložka toku tvoriaca tok;

• iw — krútiaci moment vytvárajúci hodnotu.

Výpočtový algoritmus teraz zahŕňa elektronický ekvivalentný obvod indukčného motora s regulátormi prúdu, ktorý zohľadňuje podmienky nasýtenia elektromagnetického poľa a straty magnetickej energie v oceli.

Obidve zložky prúdových vektorov, rozdielne v uhle a amplitúde, rotujú spolu so súradnicovým systémom rotora a stávajú sa stacionárnym systémom orientácie statora.

Podľa tohto princípu sa parametre frekvenčného meniča upravujú podľa zaťaženia indukčného motora.

Princíp činnosti frekvenčného meniča

Toto zariadenie, ktoré sa tiež nazýva invertor, je založené na dvojitej zmene tvaru vlny sieťového napájania.

Spočiatku sa priemyselné napätie privádza do usmerňovača s výkonnými diódami, ktoré odstraňujú sínusové harmonické, ale zanechávajú vlnky signálu. Na ich odstránenie je určená kondenzátorová banka s indukčnosťou (LC-filter), ktorá poskytuje usmernenému napätiu stabilný, vyhladený tvar.

Signál potom ide na vstup frekvenčného meniča, čo je trojfázový mostík so šiestimi obvodmi výkonové tranzistory Séria IGBT alebo MOSFET s ochrannými diódami proti prepólovaniu napätia. Predtým používané tyristory na tieto účely nemajú dostatočnú rýchlosť a pracujú s veľkými poruchami.

Na zapnutie režimu „brzdy“ motora je možné do obvodu nainštalovať riadený tranzistor s výkonným odporom, ktorý rozptyľuje energiu. Táto technika umožňuje odstrániť napätie generované motorom, aby sa chránili filtračné kondenzátory pred prebitím a poškodením.

Metóda vektorového riadenia frekvencie prevodníka umožňuje vytvárať obvody, ktoré vykonávajú automatické riadenie signálu zo systémov ACS. Používa sa na to riadiaci systém:

1. amplitúda;

2. PWM (simulácia šírky impulzu).

Metóda riadenia amplitúdy je založená na zmene vstupného napätia a PWM je založená na algoritme prepínania výkonových tranzistorov pri konštantnom vstupnom napätí.

Pri PWM regulácii sa vytvorí perióda modulácie signálu, keď je statorové vinutie pripojené v prísnom poradí na kladné a záporné svorky usmerňovača.

Keďže hodinová frekvencia generátora je pomerne vysoká, potom vo vinutí elektromotora, ktorý má indukčný odpor, sú vyhladené na normálnu sínusovú vlnu.

Metódy riadenia PWM maximalizujú elimináciu energetických strát a poskytujú vysokú účinnosť konverzie vďaka súčasnému riadeniu frekvencie a amplitúdy. Stali sa dostupnými vďaka vývoju technológií riadenia tyristorov s blokovaním napájania série GTO alebo bipolárnych značiek IGBT tranzistorov s izolovaným hradlom.

Princípy ich zahrnutia na ovládanie trojfázového motora sú uvedené na fotografii.

Každý zo šiestich IGBT je pripojený v antiparalelnom obvode k vlastnej dióde spätného prúdu. V tomto prípade aktívny prúd indukčného motora prechádza cez výkonový obvod každého tranzistora a jeho reaktívna zložka je smerovaná cez diódy.

Aby sa eliminoval vplyv vonkajšieho elektrického šumu na prevádzku meniča a motora, obvod frekvenčného meniča môže zahŕňať filter na redukciu šumulikvidácia:

• rádiové rušenie;

• elektrické výboje spôsobené prevádzkou zariadenia.

Tieto sú signalizované ovládačom a medzi motorom a výstupnými svorkami meniča sa používa tienená kabeláž na zníženie otrasov.

Na zlepšenie presnosti prevádzky asynchrónnych motorov riadiaci obvod frekvenčných meničov zahŕňa:

• komunikačný vstup s pokročilými možnosťami rozhrania;

• vstavaný ovládač;

• pamäťová karta;

• softvér;

• informačný LED displej zobrazujúci hlavné výstupné parametre;

• brzdový chopper a vstavaný EMC filter;

• systém chladenia okruhu založený na fúkaní ventilátormi so zvýšenými zdrojmi;

• funkcia ohrevu motora jednosmerným prúdom a niektoré ďalšie možnosti.

Prevádzkové schémy zapojenia

Frekvenčné meniče sú určené na prácu s jednofázovými alebo trojfázovými sieťami. Ak však existujú priemyselné zdroje jednosmerného prúdu s napätím 220 voltov, potom z nich môžu byť napájané meniče.

Trojfázové modely sú určené pre sieťové napätie 380 voltov a napájajú ho elektromotor. Jednofázové meniče sú napájané 220 voltmi a na výstupe sú tri fázy rozdelené v čase.

Schéma pripojenia frekvenčného meniča k motoru môže byť vykonaná podľa schém:

• hviezdy;

• trojuholník.

Vinutia motora sú zostavené v «hviezde» pre menič, napájané trojfázovou sieťou 380 voltov.

Podľa schémy "delta" sú vinutia motora zostavené, keď je výkonový menič pripojený k jednofázovej 220-voltovej sieti.

Pri výbere spôsobu pripojenia elektromotora k frekvenčnému meniču je potrebné venovať pozornosť pomeru výkonu, ktorý dokáže bežiaci motor vytvoriť vo všetkých režimoch, vrátane pomalého, zaťaženého štartu, s možnosťami meniča.

Frekvenčný menič nie je možné neustále preťažovať a malá rezerva jeho výstupného výkonu zabezpečí jeho dlhodobú a bezproblémovú prevádzku.