Врсте фреквентних претварача

Уређаји који се називају фреквентни претварачи се користе за претварање мрежног наизменичног напона индустријске фреквенције од 50/60 Хз у наизменични напон друге фреквенције. Излазна фреквенција фреквентног претварача може да варира у великој мери, обично од 0,5 до 400 Хз. Више фреквенције су неприхватљиве за савремене моторе због природе материјала од којих су направљена језгра статора и ротора.

Било каквог конвертер фреквенције обухвата два главна дела: контролу и напајање. Управљачки део је коло дигиталног микрокола које обезбеђује контролу прекидача напојне јединице, а служи и за контролу, дијагностику и заштиту погонског погона и самог претварача.

Одељак за напајање директно укључује прекидаче — моћне транзисторе или тиристоре. У овом случају, фреквентни претварачи су два типа: са истакнутом секцијом једносмерне струје или са директном комуникацијом. Директно спрегнути претварачи имају ефикасност до 98% и могу да раде са значајним напонима и струјама.Уопштено говорећи, сваки од поменута два типа фреквентних претварача има индивидуалне предности и недостатке, и може бити рационално применити један или други за различите примене.

Директна комуникација

На тржишту су се први појавили фреквентни претварачи са директним галванским везом, њихов енергетски одсек је контролисани тиристорски исправљач, у коме се наизменично отварају одређене групе закључавајућих тиристора, а намотаји статора су повезани на мрежу. То значи да је на крају напон који се доводи до статора обликован као делови мрежног синусног таласа који се серијски доводе до намотаја.

Синусоидни напон се на излазу претвара у пиласти напон. Фреквенција је нижа од мрежне — од 0,5 до око 40 Хз. Очигледно, опсег овог типа претварача је ограничен. Тиристори без закључавања захтевају сложеније управљачке шеме, што повећава цену ових уређаја.

Делови излазног синусног таласа генеришу више хармонике, а то су додатни губици и прегревање мотора са смањењем обртног момента вратила, поред тога, не слаби сметње улазе у мрежу. Ако се користе компензациони уређаји, онда се опет повећавају трошкови, повећавају се димензије и тежина, а ефикасност претварача се смањује.

Предности фреквентних претварача са директном галванском спрегом укључују:

• могућност континуираног рада са значајним напонима и струјама;
• отпорност на импулсно преоптерећење;
• Ефикасност до 98%;
• применљивост у високонапонским колима од 3 до 10 кВ па и више.

У овом случају, високонапонски фреквентни претварачи су, наравно, скупљи од нисконапонских. Раније су се користили тамо где је то било потребно — наиме тиристорски претварачи са директном спрегом.

Са истакнутом ДЦ прикључком

За модерне погоне, фреквентни претварачи са истакнутим ДЦ блоком се више користе за потребе регулације фреквенције. Овде се конверзија врши у два корака. Прво, улазни мрежни напон се исправља и филтрира, изравнава, затим се доводи у инвертор, где се претвара у наизменичну струју са потребном фреквенцијом и напон са потребном амплитудом.

Ефикасност такве двоструке конверзије се смањује и димензије уређаја постају нешто веће од оних код претварача са директним електричним прикључком. Овде се синусни талас генерише помоћу аутономног претварача струје и напона.

У фреквентним претварачима везе једносмерне струје, запорним тиристорима или ИГБТ транзистори... Тиристори за закључавање су углавном коришћени у првим произведеним фреквентним претварачима овог типа, а затим су појавом ИГБТ транзистора на тржишту међу нисконапонским уређајима почели да доминирају претварачи на бази ових транзистори.

За укључивање тиристора довољан је кратак импулс који се примењује на контролну електроду, а да би се искључио, потребно је применити обрнути напон на тиристор или ресетовати струју пребацивања на нулу. Потребна је посебна контролна шема — сложена и димензионална. Биполарни ИГБТ транзистори имају флексибилнију контролу, мању потрошњу енергије и прилично велику брзину.

Из тог разлога, фреквентни претварачи засновани на ИГБТ транзисторима су омогућили проширење опсега брзина управљања погоном: асинхрони векторски управљачки мотори засновани на ИГБТ транзисторима могу безбедно да раде при малим брзинама без потребе за сензорима повратне спреге.

Микропроцесори у комбинацији са транзисторима велике брзине производе мање виших хармоника на излазу од тиристорских претварача. Као резултат тога, губици су мањи, намотаји и магнетно коло се мање прегревају, пулсације ротора на ниским фреквенцијама су смањене. Мањи губици у кондензаторским банкама, у трансформаторима - радни век ових елемената се повећава. Мање је грешака на послу.

Ако упоредимо тиристорски претварач са транзисторским претварачем са истом излазном снагом, онда ће други тежити мање, бити мање величине, а његов рад ће бити поузданији и уједначенији. Модуларни дизајн ИГБТ прекидача омогућава ефикасније одвођење топлоте и захтева мање простора за монтажу енергетских елемената, поред тога, модуларни прекидачи су боље заштићени од пренапона прекидача, односно мања је вероватноћа оштећења.

Претварачи фреквенције засновани на ИГБТ-овима су скупљи јер су енергетски модули сложене електронске компоненте за производњу. Међутим, цена је оправдана квалитетом. Истовремено, статистика показује тенденцију пада цена ИГБТ транзистора сваке године.

Принцип рада ИГБТ претварача фреквенције

На слици је приказан дијаграм фреквентног претварача и графови струја и напона сваког од елемената. Мрежни напон константне амплитуде и фреквенције се доводи до исправљача који може бити контролисани или неконтролисани. После исправљача налази се кондензатор - капацитивни филтер. Ова два елемента - исправљач и кондензатор - чине једносмерну јединицу.

Из филтера се сада константни напон доводи до аутономног импулсног претварача у коме раде ИГБТ транзистори. На дијаграму је приказано типично решење за савремене фреквентне претвараче. Директни напон се претвара у трофазни импулс са подесивом фреквенцијом и амплитудом.

Управљачки систем даје правовремене сигнале сваком од кључева, а одговарајући намотаји се узастопно пребацују на трајну везу. У овом случају, трајање повезивања калемова на везу је модулисано на синус. Дакле, у централном делу полупериода, ширина пулса је највећа, а на ивицама - најмања. То се дешава овде напон модулације ширине импулса на намотајима статора мотора. Фреквенција ПВМ обично достиже 15 кХз, а сами намотаји раде као индуктивни филтер, због чега су струје кроз њих скоро синусне.

Ако се исправљач контролише на улазу, онда се промена амплитуде врши контролом исправљача, а претварач је одговоран само за конверзију фреквенције. Понекад се на излазу претварача инсталира додатни филтер за пригушивање струјних таласа (врло ретко се користи у претварачима мале снаге).У сваком случају, излаз је трофазни напон и наизменична струја са основним параметрима које дефинише корисник.