Видове честотни преобразуватели

За преобразуване на мрежово променливо напрежение с промишлена честота 50/60 Hz в променливо напрежение с различна честота се използват устройства, наречени честотни преобразуватели. Изходната честота на честотния преобразувател може да варира в широки граници, обикновено от 0,5 до 400 Hz. По -високите честоти са неприемливи за съвременните двигатели поради естеството на материалите, от които са направени жилата на статора и ротора.

Всякакви честотен преобразувател включва две основни части: управление и захранване. Контролната част е схема на цифрова микросхема, която осигурява контрол на ключовете на захранващия блок, а също така служи за управление, диагностика и защита на задвижваното задвижване и самия преобразувател.

Секцията за захранване включва директно ключовете — мощни транзистори или тиристори. В този случай честотните преобразуватели са два вида: с подчертан участък от постоянен ток или с директна комуникация. Конверторите с директно свързване имат ефективност до 98%и могат да работят със значителни напрежения и токове. Като цяло всеки от двата посочени типа честотни преобразуватели има индивидуални предимства и недостатъци и може да е рационално да се прилагат едно или друго за различни приложения.

Директна комуникация

Честотните преобразуватели с директно галванично свързване бяха първите, които се появиха на пазара, тяхната силова секция е управляван тиристорен токоизправител, при който на свой ред се отварят определени групи заключващи се тиристори, а намотките на статора се свързват от своя страна към мрежата. Това означава, че в крайна сметка напрежението, подадено към статора, е оформено като парчета от мрежова синусоида, които се подават последователно към намотките.

Синусоидалното напрежение се превръща в напрежение на трион на изхода. Честотата е по -ниска от мрежовата — от 0,5 до около 40 Hz. Очевидно обхватът на този тип преобразуватели е ограничен. Незаключващите се тиристори изискват по-сложни схеми за управление, което увеличава цената на тези устройства.

Части от синусоида на изхода генерират по -високи хармоници, а това са допълнителни загуби и прегряване на двигателя с намаляване на въртящия момент на вала, освен това не слабите смущения влизат в мрежата. Ако се използват компенсационни устройства, тогава отново се увеличават разходите, размерите и теглото се увеличават, а ефективността на преобразувателя намалява.

Предимствата на честотните преобразуватели с директно галванично свързване включват:

• възможността за непрекъсната работа със значителни напрежения и токове;
• съпротивление на импулсно претоварване;
• Ефективност до 98%;
• приложимост във вериги за високо напрежение от 3 до 10 kV и дори по-високи.

В този случай високоволтовите честотни преобразуватели, разбира се, излизат по-скъпи от нисковолтовите. Преди това те са били използвани където е необходимо — а именно тиристорни преобразуватели с директно свързване.

С подчертана DC връзка

За съвременните задвижвания, за целите на честотно регулиране, по -широко се използват честотни преобразуватели с подчертан DC блок. Тук преобразуването се извършва в две стъпки. Първо, входното мрежово напрежение се коригира и филтрира, изглажда, след това се подава към инвертора, където се преобразува в променлив ток с необходимата честота и напрежение с необходимата амплитуда.

Ефективността при такова двойно преобразуване намалява и размерите на устройството стават малко по -големи от тези на преобразувателите с директно електрическо свързване. Синусоидалната вълна се образува тук от автономен инвертор на ток и напрежение.

В честотни преобразуватели с DC връзка, заключващи се тиристори или IGBT транзистори… Заключващите се тиристори бяха използвани главно в първите произведени честотни преобразуватели от този тип, след това, с появата на IGBT транзистори на пазара, именно преобразувателите на базата на тези транзистори започнаха да доминират сред нисковолтовите устройства.

За включване на тиристора е достатъчен кратък импулс, приложен към управляващия електрод, а за изключване е необходимо да се приложи обратно напрежение към тиристора или да се нулира превключващия ток до нула. Изисква се специална схема за управление — сложна и размерна. Биполярните IGBT транзистори имат по -гъвкаво управление, по -ниска консумация на енергия и доста висока скорост.

Поради тази причина честотните преобразуватели, базирани на IGBT транзистори, направиха възможно разширяването на обхвата на скоростите на управление на задвижването: асинхронните векторни двигатели за управление, базирани на IGBT транзистори, могат безопасно да работят при ниски скорости, без да са необходими сензори за обратна връзка.

Микропроцесорите, съчетани с високоскоростни транзистори, произвеждат по-малко по-високи хармоници на изхода от тиристорните преобразуватели. В резултат на това загубите се оказват по -малки, намотките и магнитната верига прегряват по -малко, пулсациите на ротора при ниски честоти се намаляват. По -малко загуби в кондензаторни банки, в трансформатори — експлоатационният живот на тези елементи се увеличава. Има по -малко грешки по време на работа.

Ако сравним тиристорен преобразувател с транзисторен преобразувател със същата изходна мощност, тогава вторият ще тежи по -малко, ще бъде по -малък по размер и работата му ще бъде по -надеждна и равномерна. Модулната конструкция на IGBT ключовете позволява по -ефективно разсейване на топлината и изисква по -малко място за монтиране на силови елементи, освен това модулните ключове са по -добре защитени от превключващи пренапрежения, тоест вероятността от повреда е по -малка.

Честотните преобразуватели, базирани на IGBT, са по -скъпи, тъй като захранващите модули са сложни електронни компоненти за производство. Цената обаче е оправдана от качеството. В същото време статистиката показва тенденция за намаляване на цените на IGBT транзисторите всяка година.

Принципът на работа на честотния преобразувател на IGBT

Фигурата показва диаграма на честотен преобразувател и графики на токове и напрежения на всеки от елементите. Мрежовото напрежение с постоянна амплитуда и честота се подава към токоизправителя, който може да бъде контролиран или неконтролиран. След токоизправителя има кондензатор — капацитивен филтър. Тези два елемента — токоизправител и кондензатор — образуват DC единица.

От филтъра вече се подава постоянно напрежение към автономен импулсен инвертор, в който работят IGBT транзисторите. Диаграмата показва типично решение за съвременните честотни преобразуватели. Директното напрежение се преобразува в трифазен импулс с регулируема честота и амплитуда.

Системата за управление дава своевременни сигнали на всеки от клавишите, а съответните намотки последователно се превключват към постоянната връзка. В този случай продължителността на свързване на намотките към връзката се модулира до синуса. И така, в централната част на полупериода ширината на импулса е най -голяма, а по краищата — най -малка. Тук се случва модулационно напрежение с широчина на импулса върху намотките на статора на двигателя. Честотата на ШИМ обикновено достига 15 kHz, а самите намотки работят като индуктивен филтър, в резултат на което токовете през тях са почти синусоидални.

Ако токоизправителят се управлява на входа, тогава промяната на амплитудата става чрез управление на токоизправителя, а инверторът е отговорен само за преобразуване на честотата. Понякога на изхода на инвертора е инсталиран допълнителен филтър за овлажняване на вълните на тока (много рядко това се използва при преобразуватели с ниска мощност). По един или друг начин изходът е трифазно напрежение и променлив ток с дефинирани от потребителя основни параметри.