Typy frekvenčních měničů

Zařízení nazývaná frekvenční měniče slouží k přeměně síťového střídavého napětí s průmyslovou frekvencí 50/60 Hz na střídavé napětí jiné frekvence. Výstupní frekvence frekvenčního měniče se může široce měnit, typicky od 0,5 do 400 Hz. Vyšší frekvence jsou pro moderní motory nepřijatelné kvůli povaze materiálů, ze kterých jsou vyrobena jádra statoru a rotoru.

Jakýkoliv druh frekvenční měnič obsahuje dvě hlavní části: ovládání a napájení. Řídicí část je obvod digitálního mikroobvodu, který zajišťuje ovládání spínačů pohonné jednotky, dále slouží k ovládání, diagnostice a ochraně hnaného pohonu a samotného měniče.

Součástí napájecí části jsou přímo spínače — výkonné tranzistory nebo tyristory. V tomto případě jsou frekvenční měniče dvou typů: se zvýrazněnou částí stejnosměrného proudu nebo s přímou komunikací. Přímo vázané měniče mají účinnost až 98 % a mohou pracovat s významnými napětími a proudy.Obecně platí, že každý ze dvou uvedených typů frekvenčních měničů má individuální výhody a nevýhody a může být rozumné použít jeden nebo druhý pro různé aplikace.

Přímá komunikace

Jako první se na trhu objevily frekvenční měniče s přímým galvanickým zapojením, jejichž výkonovou částí je řízený tyristorový usměrňovač, u kterého se postupně otevírají určité skupiny blokovacích tyristorů a vinutí statoru se připojují do sítě. To znamená, že nakonec je napětí přiváděné do statoru tvarováno jako kousky sinusové vlny sítě, které jsou sériově přiváděny do vinutí.

Sinusové napětí je na výstupu převedeno na pilovité napětí. Frekvence je nižší než u sítě — od 0,5 do asi 40 Hz. Je zřejmé, že rozsah tohoto typu převodníku je omezený. Tyristory bez blokování vyžadují složitější řídicí schémata, což zvyšuje cenu těchto zařízení.

Části výstupní sinusovky generují vyšší harmonické, a to jsou dodatečné ztráty a přehřívání motoru s poklesem točivého momentu hřídele, navíc do sítě nevstupují slabé poruchy. Pokud se použijí kompenzační zařízení, pak opět rostou náklady, zvětšují se rozměry a hmotnost a klesá účinnost měniče.

Mezi výhody frekvenčních měničů s přímou galvanickou vazbou patří:

• možnost nepřetržitého provozu s významnými napětími a proudy;
• odolnost proti impulsnímu přetížení;
• Účinnost až 98 %;
• použitelnost v obvodech vysokého napětí od 3 do 10 kV a ještě vyšších.

Vysokonapěťové frekvenční měniče jsou v tomto případě samozřejmě dražší než nízkonapěťové. Dříve se používaly tam, kde to bylo potřeba – konkrétně tyristorové převodníky s přímou vazbou.

Se zvýrazněným DC připojením

U moderních pohonů se pro účely regulace frekvence více používají frekvenční měniče se zvýrazněným stejnosměrným blokem. Zde se převod provádí ve dvou krocích. Vstupní síťové napětí je nejprve usměrněno a filtrováno, vyhlazeno, poté přivedeno do měniče, kde je přeměněno na střídavý proud o požadované frekvenci a napětí s požadovanou amplitudou.

Účinnost takovéto dvojité konverze klesá a rozměry zařízení se mírně zvětšují než u měničů s přímým elektrickým připojením. Sinusová vlna je zde generována autonomním proudovým a napěťovým střídačem.

V frekvenčních měničích meziobvodu, přídržných tyristorech popř IGBT tranzistory… Blokovací tyristory se používaly především u prvních vyráběných frekvenčních měničů tohoto typu, poté, co se na trhu objevily IGBT tranzistory, začaly mezi nízkonapěťovými zařízeními dominovat právě měniče na bázi těchto tranzistorů.

K zapnutí tyristoru stačí krátký impuls přivedený na řídící elektrodu a k jeho vypnutí je nutné přivést zpětné napětí na tyristor nebo vynulovat spínací proud. Vyžaduje se speciální kontrolní schéma — složité a rozměrné. Bipolární IGBT tranzistory mají pružnější řízení, nižší spotřebu energie a poměrně vysokou rychlost.

Z tohoto důvodu frekvenční měniče založené na tranzistorech IGBT umožnily rozšířit rozsah řídicích rychlostí měniče: asynchronní vektorové řídicí motory založené na IGBT tranzistorech mohou bezpečně pracovat při nízkých otáčkách bez potřeby zpětnovazebních senzorů.

Mikroprocesory spojené s vysokorychlostními tranzistory produkují na výstupu méně vyšších harmonických než tyristorové převodníky. V důsledku toho jsou ztráty menší, vinutí a magnetický obvod se méně přehřívají, pulsace rotoru na nízkých frekvencích se snižují. Menší ztráty v kondenzátorových bankách, v transformátorech - životnost těchto prvků se zvyšuje. Při práci je méně chyb.

Pokud porovnáme tyristorový měnič s tranzistorovým měničem se stejným výstupním výkonem, pak druhý bude vážit méně, bude menší a jeho provoz bude spolehlivější a jednotnější. Modulární konstrukce IGBT spínačů umožňuje efektivnější odvod tepla a vyžaduje méně místa pro montáž výkonových prvků, navíc jsou modulární spínače lépe chráněny před spínacími rázy, to znamená, že pravděpodobnost poškození je nižší.

Frekvenční měniče založené na IGBT jsou dražší, protože výkonové moduly jsou složité elektronické součástky na výrobu. Cena je však odůvodněna kvalitou. Statistiky zároveň ukazují tendenci každoročně snižovat ceny IGBT tranzistorů.

Princip činnosti IGBT frekvenčního měniče

Na obrázku je schéma frekvenčního měniče a grafy proudů a napětí každého z prvků. Síťové napětí konstantní amplitudy a frekvence je přiváděno do usměrňovače, který může být řízený nebo neřízený. Za usměrňovačem je kondenzátor - kapacitní filtr. Tyto dva prvky – usměrňovač a kondenzátor – tvoří stejnosměrnou jednotku.

Z filtru je nyní přiváděno konstantní napětí do autonomního pulzního invertoru, ve kterém pracují IGBT tranzistory. Diagram ukazuje typické řešení pro moderní frekvenční měniče. Stejnosměrné napětí se převádí na třífázový impuls s nastavitelnou frekvencí a amplitudou.

Řídicí systém dává včasné signály každému z tlačítek a příslušné cívky jsou postupně přepínány do trvalého spojení. V tomto případě je doba připojení cívek ke spoji modulována na sinus. Takže ve střední části půlperiody je šířka pulsu největší a na okrajích nejmenší. Tady se to děje pulzně šířkové modulační napětí na vinutí statoru motoru. Frekvence PWM obvykle dosahuje 15 kHz a samotné cívky fungují jako indukční filtr, v důsledku čehož jsou proudy jimi téměř sinusové.

Pokud je usměrňovač řízen na vstupu, pak se změna amplitudy provádí řízením usměrňovače a měnič je zodpovědný pouze za převod frekvence. Někdy je na výstupu měniče instalován přídavný filtr pro tlumení proudových vln (velmi zřídka se to používá u měničů s nízkým výkonem).V každém případě je výstupem třífázové napětí a střídavý proud s uživatelsky definovanými základními parametry.