A frekvenciaváltók típusai
A frekvenciaváltónak nevezett eszközök az 50/60 Hz-es ipari frekvenciájú hálózati váltakozó feszültséget eltérő frekvenciájú váltakozó feszültséggé alakítják. A frekvenciaváltó kimeneti frekvenciája tág határok között változhat, jellemzően 0,5 és 400 Hz között. A magasabb frekvenciák elfogadhatatlanok a modern motorok számára az állórész- és a forgórészmagok anyagának jellege miatt.
Bármilyen fajta frekvenciaváltó két fő részből áll: vezérlés és tápegység. A vezérlőrész egy digitális mikroáramkör áramköre, amely biztosítja a tápegység kapcsolóinak vezérlését, valamint a hajtott hajtás és magának az átalakítónak a vezérlésére, diagnosztizálására és védelmére is szolgál.
A tápegység közvetlenül tartalmazza a kapcsolókat - erős tranzisztorokat vagy tirisztorokat. Ebben az esetben a frekvenciaváltók kétféleek: kiemelt egyenáram-szakasszal vagy közvetlen kommunikációval. A közvetlen csatolású konverterek hatásfoka akár 98% is lehet, és jelentős feszültséggel és árammal is működhetnek.Általánosságban elmondható, hogy a két említett frekvenciaváltó-típus mindegyikének megvannak a maga előnyei és hátrányai, és ésszerű lehet az egyik vagy a másik alkalmazása különböző alkalmazásokhoz.
Közvetlen kommunikáció
Elsőként jelentek meg a piacon a közvetlen galvanikus csatlakozású frekvenciaváltók, teljesítményrészük egy vezérelt tirisztoros egyenirányító, melyben sorra nyitják ki a reteszelő tirisztorok egyes csoportjait, és az állórész tekercseket sorra kapcsolják a hálózatba. Ez azt jelenti, hogy az állórészre betáplált feszültség végső soron a hálózati szinuszhullám darabjaiként alakul ki, amelyeket sorosan táplálnak a tekercsekre.
A szinuszos feszültség a kimeneten fűrészfog feszültséggé alakul. A frekvencia alacsonyabb, mint a hálózati - 0,5 és körülbelül 40 Hz között. Nyilvánvaló, hogy az ilyen típusú konverterek hatótávolsága korlátozott. A nem záródó tirisztorok bonyolultabb vezérlési sémákat igényelnek, ami növeli ezen eszközök költségét.
A kimeneti szinuszhullám egyes részei magasabb harmonikusokat generálnak, és ezek további veszteségek és a motor túlmelegedése a tengelynyomaték csökkenésével, ráadásul nem gyenge zavarok lépnek be a hálózatba. Ha kompenzáló eszközöket használnak, akkor ismét nőnek a költségek, nőnek a méretek és a tömeg, valamint csökken a konverter hatékonysága.
A közvetlen galvanikus csatolással rendelkező frekvenciaváltók előnyei a következők:
- folyamatos működés lehetősége jelentős feszültségekkel és áramokkal;
- impulzus-túlterhelési ellenállás;
- Hatékonyság akár 98%;
- Alkalmazhatóság 3-10 kV és még nagyobb feszültségű áramkörökben.
Ebben az esetben a nagyfeszültségű frekvenciaváltók természetesen drágábbak, mint a kisfeszültségűek. Korábban ott használták őket, ahol szükség volt rá – nevezetesen közvetlen csatolású tirisztoros átalakítókra.
A DC csatlakozással kiemelve
A modern hajtásoknál a frekvencia-szabályozási célokra szélesebb körben használják a kiemelt DC blokkal ellátott frekvenciaváltókat. Itt az átalakítás két lépésben történik. Először a bemenő hálózati feszültséget egyenirányítják és szűrik, simítják, majd az inverterbe táplálják, ahol a szükséges frekvenciájú és a szükséges amplitúdójú feszültségű váltakozó árammá alakítják át.
Egy ilyen kettős átalakítás hatásfoka csökken, és a készülék méretei valamivel nagyobbak lesznek, mint a közvetlen elektromos csatlakozású átalakítóké. A szinuszhullámot itt egy autonóm áram- és feszültséginverter állítja elő.
Egyenáramú köri frekvenciaváltókban reteszelő tirisztorok ill IGBT tranzisztorok… A reteszelő tirisztorokat elsősorban az elsőként gyártott ilyen típusú frekvenciaváltókban alkalmazták, majd az IGBT tranzisztorok piacra kerülésével az ezekre épülő átalakítók kezdtek dominálni a kisfeszültségű készülékek között.
A tirisztor bekapcsolásához elegendő a vezérlőelektródára adott rövid impulzus, kikapcsolásához pedig a tirisztorra fordított feszültséget kell kapcsolni, vagy a kapcsolóáramot nullára kell állítani. Speciális vezérlési rendszerre van szükség – összetett és méretre szabott. A bipoláris IGBT tranzisztorok rugalmasabb vezérléssel, alacsonyabb energiafogyasztással és meglehetősen nagy sebességgel rendelkeznek.
Emiatt az IGBT tranzisztorokra épülő frekvenciaváltók lehetővé tették a hajtásvezérlési sebességek tartományának kiterjesztését: az IGBT tranzisztorokon alapuló aszinkron vektorvezérlő motorok biztonságosan működhetnek alacsony fordulatszámon, visszacsatoló érzékelők nélkül.
A nagy sebességű tranzisztorokkal összekapcsolt mikroprocesszorok kevesebb magasabb harmonikust állítanak elő a kimeneten, mint a tirisztoros konverterek. Ennek eredményeként a veszteségek kisebbek, a tekercsek és a mágneses áramkör kevésbé túlmelegszik, a rotor pulzálása alacsony frekvencián csökken. Kevesebb veszteség a kondenzátorbankokban, transzformátorokban - ezeknek az elemeknek az élettartama nő. Kevesebb a hiba a munkahelyen.
Ha összehasonlítunk egy tirisztoros átalakítót egy azonos kimeneti teljesítményű tranzisztoros átalakítóval, akkor a második kisebb lesz, kisebb lesz, működése megbízhatóbb és egyenletesebb lesz. Az IGBT kapcsolók moduláris felépítése hatékonyabb hőleadást tesz lehetővé, és kevesebb helyet igényel a teljesítményelemek felszerelése, emellett a moduláris kapcsolók jobban védettek a kapcsolási túlfeszültségekkel szemben, vagyis kisebb a károsodás valószínűsége.
Az IGBT-n alapuló frekvenciaváltók drágábbak, mivel a teljesítménymodulok gyártása összetett elektronikus alkatrészek. Az árat azonban a minőség indokolja. Ugyanakkor a statisztikák azt mutatják, hogy az IGBT tranzisztorok ára minden évben csökken.
Az IGBT frekvenciaváltó működési elve
Az ábrán egy frekvenciaváltó diagramja és az egyes elemek áramainak és feszültségeinek grafikonja látható. Állandó amplitúdójú és frekvenciájú hálózati feszültséget táplálunk az egyenirányítóba, amely vezérelhető vagy nem szabályozható. Az egyenirányító után van egy kondenzátor - egy kapacitív szűrő. Ez a két elem – egy egyenirányító és egy kondenzátor – egy egyenáramú egységet alkot.
A szűrőből állandó feszültséget kap egy autonóm impulzus-inverter, amelyben az IGBT tranzisztorok működnek. Az ábra a modern frekvenciaváltók tipikus megoldását mutatja be. Az egyenfeszültség állítható frekvenciájú és amplitúdójú háromfázisú impulzussá alakul.
A vezérlőrendszer időben jelet ad minden egyes billentyűnek, és a megfelelő tekercsek egymás után átkapcsolódnak az állandó kapcsolatra. Ebben az esetben a tekercsek csatlakozáshoz való csatlakoztatásának időtartama szinuszra van modulálva. Tehát a félidő középső részében az impulzus szélessége a legnagyobb, a széleken pedig a legkisebb. Ez itt történik impulzusszélesség modulációs feszültség a motor állórész tekercsén. A PWM frekvenciája általában eléri a 15 kHz-et, maguk a tekercsek pedig induktív szűrőként működnek, aminek következtében a rajtuk áthaladó áramok szinte szinuszosak.
Ha az egyenirányítót a bemeneten vezérlik, akkor az amplitúdó változtatás az egyenirányító vezérlésével történik, és az inverter csak a frekvencia átalakításért felelős. Néha egy további szűrőt szerelnek be az inverter kimenetére az áramhullámok csillapítására (nagyon ritkán használják ezt az alacsony teljesítményű konvertereknél).Akárhogy is, a kimenet háromfázisú feszültség és váltakozó áram a felhasználó által meghatározott alapparaméterekkel.