Způsoby, jak zvýšit aktuální frekvenci

Nejpopulárnější metodou zvýšení (nebo snížení) frekvence proudu je dnes použití frekvenčního měniče. Frekvenční měniče umožňují získat z jednofázového nebo třífázového střídavého proudu o průmyslové frekvenci (50 nebo 60 Hz) proud o požadované frekvenci, například od 1 do 800 Hz, pro napájení jednofázových nebo tří- fázově-fázové motory.

Spolu s elektronickými frekvenčními měniči se pro zvýšení aktuální frekvence používají i elektrické indukční frekvenční měniče, u kterých např. asynchronní motor s vinutým rotorem pracuje částečně v generátorovém režimu. Existují také umformery — generátory motoru, o kterých bude také pojednáno v tomto článku.

Elektronické frekvenční měniče

Elektronické frekvenční měniče umožňují plynulou regulaci otáček synchronních a asynchronních motorů díky plynulému nárůstu výstupní frekvence měniče na nastavenou hodnotu. Nejjednodušší přístup poskytuje nastavení konstantní charakteristiky U/f a pokročilejší řešení využívají vektorové řízení.

Frekvenční měničeobvykle obsahují usměrňovač, který převádí střídavý proud o výkonové frekvenci na stejnosměrný proud; za usměrňovačem je invertor v nejjednodušší podobě na bázi PWM, který převádí konstantní napětí na střídavý zatěžovací proud, přičemž frekvence a amplituda jsou již nastaveny uživatelem a tyto parametry se mohou lišit od síťových parametrů vstup nahoru nebo dolů.

Výstupní modul elektronického frekvenčního měniče je nejčastěji tyristorový nebo tranzistorový můstek sestávající ze čtyř nebo šesti spínačů, které tvoří potřebný proud pro napájení zátěže, zejména elektromotoru. K výstupu je přidán EMC filtr pro vyhlazení šumu ve výstupním napětí.

Jak již bylo zmíněno výše, elektronický frekvenční měnič využívá ke své činnosti tyristory nebo tranzistory jako spínače. K ovládání kláves je použit mikroprocesorový modul, který slouží jako ovladač a zároveň plní řadu diagnostických a ochranných funkcí.

Mezitím jsou frekvenční měniče stále dvou tříd: přímo vázané a stejnosměrné. Při výběru mezi těmito dvěma třídami se zvažují výhody a nevýhody obou typů a určuje se vhodnost jedné nebo druhé k řešení naléhavého problému.

Přímá komunikace

Přímo vázané měniče se vyznačují tím, že používají řízený usměrňovač, ve kterém skupiny tyristorů postupně, odblokováním, spínají zátěž, např. vinutí motoru, přímo do napájecí sítě.

Výsledkem je, že na výstupu jsou získány bity sinusové vlny síťového napětí a ekvivalentní výstupní frekvence (pro motor) je nižší než síťová frekvence v rámci 60 % od ní, tj. od 0 do 36 Hz pro 60 Hz. vstup.

Takové vlastnosti neumožňují měnit parametry zařízení v průmyslu v širokém rozsahu, proto je poptávka po těchto řešeních nízká. Navíc tyristory bez aretace jsou obtížně ovladatelné, náklady na obvody se zvyšují a na výstupu je velký šum, jsou potřeba kompenzátory a ve výsledku jsou velké rozměry a nízká účinnost.

DC připojení

Mnohem lepší jsou v tomto ohledu frekvenční měniče s výrazným stejnosměrným zapojením, kde se střídavý síťový proud nejprve usměrní, filtruje a poté opět obvodem elektronických spínačů převádí na střídavý proud požadované frekvence a amplitudy. Zde může být frekvence mnohem vyšší. Dvojitý převod samozřejmě poněkud snižuje efektivitu, ale parametry výstupní frekvence prostě odpovídají požadavkům uživatele.

Pro získání čisté sinusovky na vinutí motoru se používá invertorový obvod, ve kterém se získá napětí požadovaného tvaru díky pulzně šířková modulace (PWM)… Elektronické spínače jsou zde lock-in tyristory nebo IGBT tranzistory.

Tyristory snesou velké impulsní proudy, oproti tranzistorům, proto se stále častěji uchyluje k tyristorovým obvodům, a to jak u převodníků s přímou komunikací, tak u převodníků s meziobvodem, účinnost je až 98 %.

Pro spravedlnost podotýkáme, že elektronické frekvenční měniče pro elektrickou síť jsou nelineární zátěží a generují v ní vyšší harmonické, což zhoršuje kvalitu elektrické energie.

Motorgenerátor (umformer)

K přeměně elektřiny z jedné z jejích forem na druhou, zejména ke zvýšení frekvence proudu, bez nutnosti uchýlit se k elektronickým řešením, se používají tzv. umformery — motorgenerátory. Takové stroje fungují jako vodič elektřiny, ale ve skutečnosti nedochází k přímé přeměně elektřiny, jako například v transformátoru nebo v elektronickém frekvenčním měniči jako takovém.

Zde jsou k dispozici následující možnosti:

• stejnosměrný proud lze přeměnit na střídavý s vyšším napětím a požadovanou frekvencí;

• stejnosměrný proud lze získat ze střídavého proudu;

• přímá mechanická konverze frekvence s jejím zvýšením nebo snížením;

• získání třífázového proudu o požadované frekvenci z jednofázového proudu na síťové frekvenci.

Ve své kanonické podobě je motor-generátor elektromotor, jehož hřídel je přímo spojena s generátorem. Pro zlepšení frekvenčních a amplitudových parametrů vyráběné elektřiny je na výstupu generátoru instalováno stabilizační zařízení.

U některých modelů umformerů obsahuje kotva cívky a motor a generátor, který galvanicky oddělené, a jehož vodiče jsou připojeny ke kolektoru a k výstupním kroužkům.

V jiných verzích jsou vinutí společná pro oba proudy, například zde není kolektor se sběracími kroužky pro převod počtu fází, ale jednoduše jsou vyrobeny odbočky z vinutí statoru pro každou z výstupních fází.Indukční stroj tedy převádí jednofázový proud na třífázový proud (v podstatě totožný s rostoucí frekvencí).

Motor-generátor vám tedy umožňuje transformovat typ proudu, napětí, frekvenci, počet fází. Až do 70. let se měniče tohoto typu používaly ve vojenské výzbroji SSSR, kde napájely zejména lampová zařízení. Jednofázové a třífázové měniče jsou napájeny konstantním napětím 27 voltů a na výstupu je střídavé napětí 127 voltů 50 Hz jednofázové nebo 36 voltů 400 Hz třífázové.

Výkon takových transformátorů dosahuje 4,5 kVA. Podobné stroje se používají v elektrických lokomotivách, kde se stejnosměrné napětí 50 voltů převádí na střídavé napětí 220 voltů s frekvencí až 425 hertzů pro napájení zářivek a 127 voltů 50 hertzů pro napájení holicích strojků pro cestující. První počítače byly často používány umformery k jejich napájení.

Dodnes se umformery tu a tam vyskytují: v trolejbusech, v tramvajích, v elektrických vlacích, kde jsou instalovány pro získání nízkého napětí pro napájení řídicích obvodů. Nyní je však již téměř zcela vytlačila polovodičová řešení ( tyristory a tranzistory).

Měniče motor-generátor jsou cenné pro řadu výhod. Za prvé je to spolehlivé galvanické oddělení výstupního a vstupního napájecího obvodu. Za druhé, výstup je nejčistší sinusovka bez zkreslení, bez šumu. Zařízení je designově velmi jednoduché, a proto je údržba poměrně náročná.

Toto je snadný způsob, jak získat třífázové napětí. Setrvačnost rotoru vyhlazuje proudové špičky při náhlé změně parametrů zatížení.A samozřejmě je zde velmi snadné obnovit elektřinu.

Ne bez svých nedostatků. Umformery mají pohyblivé části, a proto jsou jejich zdroje omezené. Hmotnost, hmotnost, množství materiálů a v důsledku toho vysoká cena. Hlučná práce, vibrace. Nutnost častého mazání ložisek, čištění kolektorů, výměna kartáčů. Účinnost je do 70 %.

Přes nevýhody se mechanické motorgenerátory stále používají v elektroenergetice pro přeměnu velkých výkonů. V budoucnu mohou motorgenerátory pomoci sladit sítě 60 a 50 Hz nebo poskytnout sítím zvýšené požadavky na kvalitu energie. Napájení vinutí rotoru stroje je v tomto případě možné z nízkovýkonového polovodičového frekvenčního měniče.