Frekvences pārveidotāju veidi

Ierīces, ko sauc par frekvences pārveidotājiem, izmanto, lai tīkla maiņstrāvas spriegumu ar rūpniecisko frekvenci 50/60 Hz pārveidotu par dažādas frekvences maiņstrāvas spriegumu. Frekvences pārveidotāja izejas frekvence var ievērojami atšķirties, parasti no 0,5 līdz 400 Hz. Augstākas frekvences mūsdienu motoriem ir nepieņemamas to materiālu īpatnību dēļ, no kuriem izgatavoti statora un rotora serdeņi.

Jebkāda veida frekvences pārveidotājs ietver divas galvenās daļas: vadības un barošanas avotu. Vadības daļa ir digitālās mikroshēmas ķēde, kas nodrošina barošanas bloka slēdžu vadību, kā arī kalpo, lai kontrolētu, diagnosticētu un aizsargātu piedziņas piedziņu un pašu pārveidotāju.

Barošanas sadaļā tieši ir iekļauti slēdži - jaudīgi tranzistori vai tiristori. Šajā gadījumā frekvences pārveidotāji ir divu veidu: ar izceltu līdzstrāvas sadaļu vai ar tiešu komunikāciju. Tiešā savienojuma pārveidotāju efektivitāte ir līdz 98%, un tie var darboties ar ievērojamu spriegumu un strāvu.Kopumā katram no diviem minētajiem frekvences pārveidotāju veidiem ir individuālas priekšrocības un trūkumi, un var būt racionāli piemērot vienu vai otru dažādiem lietojumiem.

Tieša komunikācija

Pirmie tirgū parādījās frekvences pārveidotāji ar tiešo galvanisko pieslēgumu, to jaudas sadaļa ir vadāms tiristoru taisngriezis, kurā pēc kārtas tiek atvērtas noteiktas bloķējošo tiristoru grupas, savukārt statora tinumus pieslēdz tīklam. Tas nozīmē, ka galu galā statoram pievadītais spriegums tiek veidots kā tīkla sinusoidālā viļņa gabali, kas tiek virknē ievadīti tinumos.

Sinusoidālais spriegums izejā tiek pārveidots par zāģa spriegumu. Frekvence ir zemāka par elektrotīklu - no 0,5 līdz aptuveni 40 Hz. Acīmredzot šāda veida pārveidotāju diapazons ir ierobežots. Tiristori bez bloķēšanas prasa sarežģītākas vadības shēmas, kas palielina šo ierīču izmaksas.

Izejas sinusoidālā viļņa daļas rada augstākas harmonikas, un tie ir papildu zudumi un motora pārkaršana ar vārpstas griezes momenta samazināšanos, turklāt tīklā nonāk nevis vāji traucējumi. Ja tiek izmantotas kompensācijas ierīces, tad atkal palielinās izmaksas, palielinās izmēri un svars, samazinās pārveidotāja efektivitāte.

Frekvences pārveidotāju ar tiešu galvanisko savienojumu priekšrocības ietver:

• nepārtrauktas darbības iespēja ar ievērojamu spriegumu un strāvu;
• impulsa pārslodzes pretestība;
• Efektivitāte līdz 98%;
• pielietojamība augstsprieguma ķēdēs no 3 līdz 10 kV un pat augstākām.

Šajā gadījumā augstsprieguma frekvences pārveidotāji, protams, ir dārgāki nekā zemsprieguma pārveidotāji. Iepriekš tos izmantoja tur, kur tas bija nepieciešams, proti, tieši savienotos tiristoru pārveidotājus.

Ar izceltu līdzstrāvas savienojumu

Mūsdienu piedziņām frekvences regulēšanas nolūkos plašāk tiek izmantoti frekvences pārveidotāji ar izceltu līdzstrāvas bloku. Šeit konvertēšana tiek veikta divos posmos. Vispirms tiek rektificēts un filtrēts ieejas tīkla spriegums, izlīdzināts, pēc tam ievadīts invertorā, kur tas tiek pārveidots par maiņstrāvu ar nepieciešamo frekvenci un spriegumu ar nepieciešamo amplitūdu.

Šādas dubultās konversijas efektivitāte samazinās un ierīces izmēri kļūst nedaudz lielāki nekā pārveidotājiem ar tiešu elektrisko pieslēgumu. Šeit sinusoidālo vilni ģenerē autonoms strāvas un sprieguma invertors.

Līdzstrāvas posma frekvences pārveidotājos, fiksējošie tiristori vai IGBT tranzistori… Pirmajos ražotajos šāda veida frekvences pārveidotājos galvenokārt tika izmantoti bloķējošie tiristori, bet pēc tam, kad tirgū parādījās IGBT tranzistori, uz šiem tranzistoriem balstītie pārveidotāji sāka dominēt starp zemsprieguma ierīcēm.

Lai ieslēgtu tiristoru, pietiek ar īsu impulsu, kas tiek pievadīts vadības elektrodam, un, lai to izslēgtu, ir jāpieslēdz tiristoram reverss spriegums vai jāatiestata pārslēgšanas strāva uz nulli. Nepieciešama īpaša vadības shēma - sarežģīta un dimensiju. Bipolāriem IGBT tranzistoriem ir elastīgāka vadība, mazāks enerģijas patēriņš un diezgan liels ātrums.

Šī iemesla dēļ frekvences pārveidotāji, kuru pamatā ir IGBT tranzistori, ir ļāvuši paplašināt piedziņas vadības ātrumu diapazonu: asinhronie vektora vadības motori, kuru pamatā ir IGBT tranzistori, var droši darboties ar mazu ātrumu, neizmantojot atgriezeniskās saites sensorus.

Mikroprocesori, kas savienoti ar ātrgaitas tranzistoriem, izejā rada mazāk augstākas harmonikas nekā tiristoru pārveidotāji. Rezultātā zudumi izrādās mazāki, tinumi un magnētiskā ķēde mazāk pārkarst, samazinās rotora pulsācijas zemās frekvencēs. Mazāki zudumi kondensatoru bankās, transformatoros - palielinās šo elementu kalpošanas laiks. Darbā ir mazāk kļūdu.

Ja salīdzinām tiristoru pārveidotāju ar tranzistora pārveidotāju ar tādu pašu izejas jaudu, tad otrais svērs mazāk, būs mazāks, un tā darbība būs uzticamāka un vienmērīgāka. IGBT slēdžu modulārā konstrukcija ļauj efektīvāk izkliedēt siltumu un prasa mazāk vietas jaudas elementu montāžai, turklāt modulārie slēdži ir labāk aizsargāti no pārslēgšanās pārspriegumiem, tas ir, bojājumu iespējamība ir mazāka.

Frekvences pārveidotāji, kuru pamatā ir IGBT, ir dārgāki, jo jaudas moduļi ir sarežģītas elektroniskas sastāvdaļas, ko ražot. Tomēr cenu attaisno kvalitāte. Tajā pašā laikā statistika liecina par tendenci katru gadu samazināties IGBT tranzistoru cenām.

IGBT frekvences pārveidotāja darbības princips

Attēlā parādīta frekvences pārveidotāja diagramma un katra elementa strāvu un spriegumu diagrammas. Taisngriezim tiek padots nemainīgas amplitūdas un frekvences tīkla spriegums, ko var kontrolēt vai nekontrolēt. Pēc taisngrieža ir kondensators - kapacitatīvs filtrs. Šie divi elementi - taisngriezis un kondensators - veido līdzstrāvas vienību.

No filtra tagad pastāvīgs spriegums tiek piegādāts autonomam impulsu invertoram, kurā darbojas IGBT tranzistori. Diagrammā parādīts tipisks risinājums mūsdienu frekvences pārveidotājiem. Tiešais spriegums tiek pārveidots par trīsfāzu impulsu ar regulējamu frekvenci un amplitūdu.

Vadības sistēma dod savlaicīgus signālus katram no taustiņiem, un atbilstošās spoles tiek secīgi pārslēgtas uz pastāvīgo savienojumu. Šajā gadījumā spoļu savienošanas ar savienojumu ilgums tiek modulēts uz sinusu. Tātad pusperioda centrālajā daļā impulsa platums ir vislielākais, bet malās - mazākais. Tas notiek šeit impulsa platuma modulācijas spriegums uz motora statora tinumiem. PWM frekvence parasti sasniedz 15 kHz, un pašas spoles darbojas kā induktīvs filtrs, kā rezultātā strāvas caur tām ir gandrīz sinusoidālas.

Ja taisngriezis tiek vadīts pie ieejas, tad amplitūdas maiņa tiek veikta, kontrolējot taisngriezi, un invertors ir atbildīgs tikai par frekvences pārveidošanu. Dažreiz invertora izejā tiek uzstādīts papildu filtrs, lai slāpētu strāvas viļņus (ļoti reti tas tiek izmantots mazjaudas pārveidotājos).Jebkurā gadījumā izeja ir trīsfāzu spriegums un maiņstrāva ar lietotāja definētiem pamatparametriem.