Soorten frequentieomvormers

Apparaten die frequentieomvormers worden genoemd, worden gebruikt om netspanning met een industriële frequentie van 50/60 Hz om te zetten in wisselspanning met een andere frequentie. De uitgangsfrequentie van de frequentieomvormer kan sterk variëren, typisch van 0,5 tot 400 Hz. Hogere frequenties zijn onaanvaardbaar voor moderne motoren vanwege de aard van de materialen waaruit de stator- en rotorkernen zijn gemaakt.

Elk soort frequentie omzetter bestaat uit twee hoofdonderdelen: besturing en voeding. Het besturingsgedeelte is een circuit van een digitale microschakeling die de schakelaars van de vermogenseenheid regelt en ook dient voor het besturen, diagnosticeren en beschermen van de aangedreven aandrijving en de omvormer zelf.

Het voedingsgedeelte bevat direct de schakelaars - krachtige transistors of thyristors. In dit geval zijn er twee soorten frequentieomvormers: met een gemarkeerd gedeelte van gelijkstroom of met directe communicatie. Direct gekoppelde omvormers hebben een rendement tot 98% en kunnen werken met aanzienlijke spanningen en stromen.Over het algemeen heeft elk van de twee genoemde typen frequentieomvormers individuele voor- en nadelen, en het kan rationeel zijn om de ene of de andere toe te passen voor verschillende toepassingen.

Directe communicatie

Frequentieomvormers met directe galvanische aansluiting waren de eersten die op de markt verschenen, hun vermogensgedeelte is een gestuurde thyristorgelijkrichter, waarin bepaalde groepen vergrendelende thyristors beurtelings worden geopend en de statorwikkelingen beurtelings op het netwerk worden aangesloten. Dit betekent dat uiteindelijk de aan de stator geleverde spanning de vorm heeft van stukjes van een sinusgolf die in serie naar de wikkelingen worden gevoerd.

De sinusvormige spanning wordt aan de uitgang omgezet in een zaagtandspanning. De frequentie is lager dan het lichtnet - van 0,5 tot ongeveer 40 Hz. Uiteraard is het bereik van dit type omvormer beperkt. Niet-vergrendelende thyristors vereisen complexere besturingsschema's, wat de kosten van deze apparaten verhoogt.

Delen van de uitgaande sinusgolf genereren hogere harmonischen, en dit zijn extra verliezen en oververhitting van de motor met een afname van het askoppel, bovendien komen er geen zwakke storingen in het netwerk. Als compenserende apparaten worden gebruikt, nemen de kosten weer toe, nemen de afmetingen en het gewicht toe en neemt de efficiëntie van de converter af.

De voordelen van frequentieomvormers met directe galvanische koppeling zijn:

• de mogelijkheid van continu bedrijf met aanzienlijke spanningen en stromen;
• weerstand tegen impulsoverbelasting;
• Rendement tot 98%;
• toepasbaarheid in hoogspanningscircuits van 3 tot 10 kV en nog hoger.

In dit geval zijn hoogspanningsfrequentieomvormers natuurlijk duurder dan laagspanningsomvormers. Voorheen werden ze gebruikt waar nodig, namelijk direct gekoppelde thyristoromvormers.

Met DC-verbinding gemarkeerd

Voor moderne aandrijvingen worden frequentieomvormers met een gemarkeerd DC-blok op grotere schaal gebruikt voor frequentieregelingsdoeleinden. Hier wordt de conversie in twee stappen uitgevoerd. Eerst wordt de ingangsnetspanning gelijkgericht en gefilterd, afgevlakt en vervolgens naar de omvormer gevoerd, waar deze wordt omgezet in wisselstroom met de gewenste frequentie en spanning met de gewenste amplitude.

Het rendement van zo'n dubbele ombouw neemt af en de afmetingen van het apparaat worden iets groter dan die van omvormers met directe elektrische aansluiting. De sinusgolf wordt hier opgewekt door een autonome stroom- en spanningsomvormer.

In DC-tussenkringfrequentieomvormers, vergrendelende thyristors of IGBT-transistors... Vergrendelende thyristors werden voornamelijk gebruikt in de eerste geproduceerde frequentieomvormers van dit type, en toen, met het verschijnen van IGBT-transistors op de markt, het waren omvormers op basis van deze transistors die begonnen te domineren onder laagspanningsapparaten.

Om de thyristor in te schakelen, is een korte puls op de stuurelektrode voldoende, en om deze uit te schakelen, is het nodig om een ​​sperspanning op de thyristor aan te leggen of de schakelstroom op nul te zetten. Er is een speciaal controleschema vereist - complex en dimensionaal. Bipolaire IGBT-transistors hebben een flexibelere regeling, een lager stroomverbruik en een vrij hoge snelheid.

Om deze reden hebben frequentieomvormers op basis van IGBT-transistors het mogelijk gemaakt om het bereik van aandrijfbesturingssnelheden uit te breiden: asynchrone vectorbesturingsmotoren op basis van IGBT-transistors kunnen veilig werken bij lage snelheden zonder de noodzaak van feedbacksensoren.

Microprocessors in combinatie met hogesnelheidstransistors produceren minder hogere harmonischen aan de uitgang dan thyristoromvormers. Als gevolg hiervan blijken de verliezen kleiner te zijn, de wikkelingen en het magnetische circuit minder oververhit, de rotorpulsaties bij lage frequenties worden verminderd. Minder verliezen in condensatorbanken, in transformatoren - de levensduur van deze elementen neemt toe. Er worden minder fouten gemaakt op het werk.

Als we een thyristoromvormer vergelijken met een transistoromvormer met hetzelfde uitgangsvermogen, dan zal de tweede minder wegen, kleiner zijn en zal de werking ervan betrouwbaarder en uniformer zijn. Het modulaire ontwerp van IGBT-switches zorgt voor een efficiëntere warmteafvoer en vereist minder ruimte voor het monteren van voedingselementen, bovendien zijn modulaire schakelaars beter beschermd tegen schakelpieken, dat wil zeggen dat de kans op schade kleiner is.

Frequentieomvormers op basis van IGBT's zijn duurder omdat vermogensmodules complexe elektronische componenten zijn om te vervaardigen. De prijs wordt echter gerechtvaardigd door de kwaliteit. Tegelijkertijd tonen statistieken een tendens om de prijzen van IGBT-transistors elk jaar te verlagen.

Het werkingsprincipe van de IGBT-frequentieomvormer

De afbeelding toont een diagram van een frequentieomvormer en grafieken van stromen en spanningen van elk van de elementen. Netspanning van constante amplitude en frequentie wordt toegevoerd aan de gelijkrichter, die gecontroleerd of ongecontroleerd kan zijn. Na de gelijkrichter bevindt zich een condensator - een capacitief filter. Deze twee elementen - een gelijkrichter en een condensator - vormen een DC-eenheid.

Vanuit het filter wordt nu een constante spanning geleverd aan een autonome pulsomvormer waarin de IGBT-transistors werken. Het diagram toont een typische oplossing voor moderne frequentieomvormers. De gelijkspanning wordt omgezet in een driefasige puls met instelbare frequentie en amplitude.

Het besturingssysteem geeft tijdig signalen aan elk van de toetsen en de overeenkomstige spoelen worden achtereenvolgens geschakeld naar de permanente verbinding. In dit geval wordt de duur van het aansluiten van de spoelen op de verbinding gemoduleerd naar sinus. Dus in het centrale deel van de halve periode is de breedte van de puls de grootste en aan de randen de kleinste. Het gebeurt hier pulsbreedtemodulatiespanning op de motorstatorwikkelingen. De frequentie van PWM bereikt meestal 15 kHz en de spoelen zelf werken als een inductief filter, waardoor de stromen er doorheen bijna sinusvormig zijn.

Als de gelijkrichter aan de ingang wordt bestuurd, wordt de amplitudeverandering gedaan door de gelijkrichter te regelen en is de omvormer alleen verantwoordelijk voor frequentieomzetting. Soms wordt een extra filter geïnstalleerd aan de uitgang van de omvormer om stroomgolven te dempen (zeer zelden wordt dit gebruikt in omvormers met laag vermogen).Hoe dan ook, de uitvoer is driefasige spanning en wisselstroom met door de gebruiker gedefinieerde basisparameters.