Typy frekvenčných meničov

Zariadenia nazývané frekvenčné meniče slúžia na premenu sieťového striedavého napätia s priemyselnou frekvenciou 50/60 Hz na striedavé napätie inej frekvencie. Výstupná frekvencia frekvenčného meniča sa môže značne meniť, typicky od 0,5 do 400 Hz. Vyššie frekvencie sú pre moderné motory neprijateľné vzhľadom na povahu materiálov, z ktorých sú vyrobené jadrá statora a rotora.

Akýkoľvek druh frekvenčný menič obsahuje dve hlavné časti: ovládanie a napájanie. Riadiaca časť je obvod digitálneho mikroobvodu, ktorý zabezpečuje ovládanie spínačov pohonnej jednotky a zároveň slúži na ovládanie, diagnostiku a ochranu hnaného pohonu a samotného meniča.

Sekcia napájania obsahuje priamo spínače - výkonné tranzistory alebo tyristory. V tomto prípade sú frekvenčné meniče dvoch typov: so zvýraznenou časťou jednosmerného prúdu alebo s priamou komunikáciou. Priamo viazané meniče majú účinnosť až 98% a môžu pracovať s významnými napätiami a prúdmi.Vo všeobecnosti má každý z uvedených dvoch typov frekvenčných meničov individuálne výhody a nevýhody a môže byť rozumné použiť jeden alebo druhý pre rôzne aplikácie.

Priama komunikácia

Ako prvé sa na trhu objavili frekvenčné meniče s priamym galvanickým prepojením, ich výkonovou časťou je riadený tyristorový usmerňovač, v ktorom sa postupne otvárajú určité skupiny blokovacích tyristorov a vinutia statora sa zapájajú do siete. To znamená, že v konečnom dôsledku je napätie privádzané do statora tvarované ako kúsky sieťovej sínusovej vlny, ktoré sú sériovo privádzané do vinutí.

Sínusové napätie je na výstupe prevedené na pílovité napätie. Frekvencia je nižšia ako sieťová - od 0,5 do asi 40 Hz. Je zrejmé, že rozsah tohto typu prevodníka je obmedzený. Neblokovacie tyristory vyžadujú zložitejšie riadiace schémy, čo zvyšuje náklady na tieto zariadenia.

Časti výstupnej sínusovky generujú vyššie harmonické, a to sú dodatočné straty a prehrievanie motora s poklesom krútiaceho momentu hriadeľa, navyše do siete nevstupujú slabé poruchy. Ak sa použijú kompenzačné zariadenia, opäť sa zvýšia náklady, zväčšia sa rozmery a hmotnosť a zníži sa účinnosť meniča.

Medzi výhody frekvenčných meničov s priamou galvanickou väzbou patria:

• možnosť nepretržitej prevádzky s významnými napätiami a prúdmi;
• odolnosť proti impulznému preťaženiu;
• Účinnosť až 98%;
• použiteľnosť vo vysokonapäťových obvodoch od 3 do 10 kV a ešte vyššie.

V tomto prípade sú vysokonapäťové frekvenčné meniče samozrejme drahšie ako nízkonapäťové. Predtým sa používali tam, kde to bolo potrebné - menovite priamo spojené tyristorové meniče.

So zvýrazneným DC pripojením

Pre moderné pohony sa pre účely regulácie frekvencie vo väčšej miere používajú frekvenčné meniče so zvýrazneným jednosmerným blokom. Tu sa konverzia vykonáva v dvoch krokoch. Vstupné sieťové napätie sa najskôr usmerní a prefiltruje, vyhladí, následne privedie do meniča, kde sa premení na striedavý prúd s požadovanou frekvenciou a napätím s požadovanou amplitúdou.

Účinnosť takejto dvojitej konverzie klesá a rozmery zariadenia sa mierne zväčšujú ako u meničov s priamym elektrickým pripojením. Sínusoida je tu generovaná autonómnym striedačom prúdu a napätia.

Vo frekvenčných meničoch jednosmerného medziobvodu, prídržných tyristoroch resp IGBT tranzistory… Blokovacie tyristory sa používali najmä v prvých vyrábaných frekvenčných meničoch tohto typu, potom, keď sa na trhu objavili IGBT tranzistory, začali medzi nízkonapäťovými zariadeniami dominovať práve meniče na báze týchto tranzistorov.

Na zapnutie tyristora stačí krátky impulz privedený na riadiacu elektródu a na vypnutie je potrebné priviesť na tyristor spätné napätie alebo vynulovať spínací prúd. Vyžaduje sa špeciálna kontrolná schéma — zložitá a rozmerná. Bipolárne IGBT tranzistory majú flexibilnejšie riadenie, nižšiu spotrebu energie a pomerne vysokú rýchlosť.

Z tohto dôvodu frekvenčné meniče založené na IGBT tranzistoroch umožnili rozšíriť rozsah rýchlostí riadenia pohonu: asynchrónne vektorové riadiace motory založené na IGBT tranzistoroch môžu bezpečne pracovať pri nízkych rýchlostiach bez potreby spätnoväzbových snímačov.

Mikroprocesory spojené s vysokorýchlostnými tranzistormi produkujú menej vyšších harmonických na výstupe ako tyristorové prevodníky. Výsledkom je, že straty sú menšie, vinutia a magnetický obvod sa menej prehrievajú, pulzácie rotora pri nízkych frekvenciách sa znižujú. Menej strát v kondenzátorových bankách, v transformátoroch - životnosť týchto prvkov sa zvyšuje. Pri práci je menej chýb.

Ak porovnáme tyristorový menič s tranzistorovým meničom s rovnakým výstupným výkonom, potom druhý bude vážiť menej, bude mať menšiu veľkosť a jeho prevádzka bude spoľahlivejšia a rovnomernejšia. Modulárna konštrukcia IGBT spínačov umožňuje efektívnejší odvod tepla a vyžaduje menej miesta na montáž výkonových prvkov, navyše sú modulárne spínače lepšie chránené pred spínacími prepätiami, to znamená, že pravdepodobnosť poškodenia je nižšia.

Frekvenčné meniče založené na IGBT sú drahšie, pretože výkonové moduly sú zložité elektronické komponenty na výrobu. Cena je však odôvodnená kvalitou. Štatistiky zároveň ukazujú tendenciu každoročne znižovať ceny IGBT tranzistorov.

Princíp činnosti frekvenčného meniča IGBT

Na obrázku je znázornená schéma frekvenčného meniča a grafy prúdov a napätí každého z prvkov. Sieťové napätie s konštantnou amplitúdou a frekvenciou sa privádza do usmerňovača, ktorý môže byť riadený alebo neriadený. Po usmerňovači je kondenzátor - kapacitný filter. Tieto dva prvky - usmerňovač a kondenzátor - tvoria jednosmernú jednotku.

Z filtra sa teraz privádza konštantné napätie do autonómneho impulzného meniča, v ktorom pracujú IGBT tranzistory. Diagram ukazuje typické riešenie pre moderné frekvenčné meniče. Jednosmerné napätie je prevedené na trojfázový impulz s nastaviteľnou frekvenciou a amplitúdou.

Riadiaci systém dáva včasné signály každému z klávesov a príslušné cievky sa postupne prepínajú na trvalé spojenie. V tomto prípade je trvanie pripojenia cievok k spojeniu modulované na sínus. Takže v strednej časti polovice periódy je šírka impulzu najväčšia a na okrajoch najmenšia. Tu sa to deje pulzne šírkové modulačné napätie na vinutia statora motora. Frekvencia PWM zvyčajne dosahuje 15 kHz a samotné cievky fungujú ako indukčný filter, v dôsledku čoho sú prúdy cez ne takmer sínusové.

Ak je usmerňovač riadený na vstupe, zmena amplitúdy sa vykonáva riadením usmerňovača a menič je zodpovedný len za konverziu frekvencie. Niekedy je na výstupe meniča inštalovaný dodatočný filter na tlmenie prúdových vĺn (veľmi zriedkavo sa to používa v meničoch s nízkym výkonom).Tak či onak, výstupom je trojfázové napätie a striedavý prúd s užívateľsky definovanými základnými parametrami.