Dažnio keitiklių tipai

Įrenginiai, vadinami dažnio keitikliais, naudojami 50/60 Hz pramoninio dažnio tinklo kintamosios srovės įtampai paversti kitokio dažnio kintamosios srovės įtampa. Dažnio keitiklio išėjimo dažnis gali labai skirtis, paprastai nuo 0,5 iki 400 Hz. Aukštesni dažniai šiuolaikiniams varikliams nepriimtini dėl medžiagų, iš kurių gaminamos statoriaus ir rotoriaus šerdys, pobūdžio.

Bet kokios rūšies dažnio keitiklis susideda iš dviejų pagrindinių dalių: valdymo ir maitinimo. Valdymo dalis yra skaitmeninės mikroschemos grandinė, kuri užtikrina maitinimo bloko jungiklių valdymą, taip pat skirta valdyti, diagnozuoti ir apsaugoti varomą pavarą bei patį keitiklį.

Maitinimo skyriuje tiesiogiai yra jungikliai - galingi tranzistoriai arba tiristoriai. Šiuo atveju dažnio keitikliai yra dviejų tipų: su paryškinta nuolatinės srovės sekcija arba su tiesioginiu ryšiu. Tiesiogiai sujungtų keitiklių efektyvumas siekia iki 98%, jie gali veikti esant didelei įtampai ir srovėms.Apskritai, kiekvienas iš dviejų paminėtų dažnio keitiklių tipų turi individualių privalumų ir trūkumų, todėl gali būti racionalu pritaikyti vieną ar kitą variantą skirtingoms reikmėms.

Tiesioginis bendravimas

Pirmieji rinkoje pasirodė dažnio keitikliai su tiesiogine galvanine jungtimi, jų galios sekcija yra valdomas tiristorių lygintuvas, kuriame paeiliui atidaromos tam tikros blokuojančių tiristorių grupės, o statoriaus apvijos paeiliui jungiamos į tinklą. Tai reiškia, kad galiausiai į statorių tiekiama įtampa yra suformuota kaip tinklo sinusinės bangos dalys, kurios nuosekliai tiekiamos į apvijas.

Sinusinė įtampa išėjime paverčiama pjūklo įtampa. Dažnis yra mažesnis nei tinklo - nuo 0,5 iki maždaug 40 Hz. Akivaizdu, kad šio tipo keitiklių diapazonas yra ribotas. Neužsifiksuojantiems tiristoriams reikalingos sudėtingesnės valdymo schemos, o tai padidina šių įrenginių kainą.

Išėjimo sinusinės bangos dalys generuoja didesnes harmonikas, o tai yra papildomi nuostoliai ir variklio perkaitimas sumažėjus veleno sukimo momentui, be to, į tinklą patenka ne silpni trikdžiai. Jei naudojami kompensaciniai įtaisai, vėl didėja sąnaudos, didėja matmenys ir svoris, mažėja keitiklio efektyvumas.

Dažnio keitiklių su tiesiogine galvanine jungtimi pranašumai yra šie:

• galimybė nuolat veikti esant didelei įtampai ir srovėms;
• atsparumas impulsiniam perkrovimui;
• Efektyvumas iki 98%;
• pritaikomumas aukštos įtampos grandinėse nuo 3 iki 10 kV ir net aukštesnėse.

Šiuo atveju aukštos įtampos dažnio keitikliai, žinoma, yra brangesni nei žemos įtampos. Anksčiau jie buvo naudojami ten, kur reikėjo – būtent tiesioginio ryšio tiristorių keitikliams.

Su paryškinta nuolatinės srovės jungtimi

Šiuolaikinėse pavarose dažnio keitikliai su paryškintu nuolatinės srovės bloku plačiau naudojami dažnio reguliavimo tikslais. Čia konvertavimas atliekamas dviem etapais. Pirmiausia įvesties tinklo įtampa ištaisoma ir filtruojama, išlyginama, po to tiekiama į keitiklį, kur ji paverčiama kintamąja reikiamo dažnio ir reikiamos amplitudės įtampa.

Tokios dvigubos konversijos efektyvumas mažėja, o įrenginio matmenys tampa šiek tiek didesni nei keitiklių su tiesiogine elektros jungtimi. Sinusinę bangą čia generuoja autonominis srovės ir įtampos keitiklis.

Nuolatinės srovės jungties dažnio keitikliuose, fiksuojamuose tiristoriuose arba IGBT tranzistoriai… Pirmuosiuose pagamintuose tokio tipo dažnio keitikliuose daugiausia buvo naudojami fiksuojantys tiristoriai, vėliau, rinkoje atsiradus IGBT tranzistoriams, tarp žemos įtampos įrenginių pradėjo dominuoti būtent šių tranzistorių pagrindu pagaminti keitikliai.

Norint įjungti tiristorių, pakanka trumpo impulso, nukreipto į valdymo elektrodą, o norint jį išjungti, reikia įvesti tiristorių atvirkštinę įtampą arba atstatyti perjungimo srovę į nulį. Reikalinga speciali valdymo schema - sudėtinga ir matmenų. Bipoliniai IGBT tranzistoriai turi lankstesnį valdymą, mažesnes energijos sąnaudas ir gana didelį greitį.

Dėl šios priežasties dažnio keitikliai, pagrįsti IGBT tranzistoriais, leido išplėsti pavaros valdymo greičių diapazoną: asinchroninio vektoriaus valdymo varikliai, pagrįsti IGBT tranzistoriais, gali saugiai veikti mažu greičiu, nereikalaujant grįžtamojo ryšio jutiklių.

Mikroprocesoriai, sujungti su didelės spartos tranzistoriais, sukuria mažiau aukštesnių harmonikų išėjime nei tiristorių keitikliai. Dėl to nuostoliai yra mažesni, apvijos ir magnetinė grandinė mažiau perkaista, mažėja rotoriaus pulsavimas žemu dažniu. Mažiau nuostolių kondensatorių baterijose, transformatoriuose – pailgėja šių elementų tarnavimo laikas. Darbe klaidų pasitaiko mažiau.

Jei palyginsime tiristorių keitiklį su tranzistoriniu keitikliu, kurio išėjimo galia yra tokia pati, tada antrasis svers mažiau, bus mažesnio dydžio, o jo veikimas bus patikimesnis ir vienodesnis. Modulinė IGBT jungiklių konstrukcija leidžia efektyviau išsklaidyti šilumą ir reikalauja mažiau vietos galios elementams montuoti, be to, moduliniai jungikliai yra geriau apsaugoti nuo perjungimo viršįtampių, tai yra mažesnė sugadinimo tikimybė.

Dažnio keitikliai, pagrįsti IGBT, yra brangesni, nes galios moduliai yra sudėtingi elektroniniai komponentai. Tačiau kainą pateisina kokybė. Tuo pačiu statistika rodo, kad kasmet IGBT tranzistorių kainos mažėja.

IGBT dažnio keitiklio veikimo principas

Paveikslėlyje parodyta dažnio keitiklio schema ir kiekvieno elemento srovių ir įtampų grafikai. Į lygintuvą tiekiama pastovios amplitudės ir dažnio tinklo įtampa, kuri gali būti valdoma arba nevaldoma. Po lygintuvo yra kondensatorius - talpinis filtras. Šie du elementai – lygintuvas ir kondensatorius – sudaro nuolatinės srovės bloką.

Iš filtro nuolatinė įtampa tiekiama į autonominį impulsų keitiklį, kuriame veikia IGBT tranzistoriai. Diagramoje parodytas tipiškas šiuolaikinių dažnio keitiklių sprendimas. Tiesioginė įtampa paverčiama trifaziu impulsu su reguliuojamu dažniu ir amplitudė.

Valdymo sistema laiku duoda signalus kiekvienam klavišui, o atitinkamos ritės nuosekliai perjungiamos į nuolatinį ryšį. Šiuo atveju ritių prijungimo prie jungties trukmė moduliuojama į sinusinę. Taigi centrinėje pusės periodo dalyje impulso plotis yra didžiausias, o kraštuose - mažiausias. Tai vyksta čia impulsų pločio moduliavimo įtampa ant variklio statoriaus apvijų. PWM dažnis paprastai siekia 15 kHz, o pačios ritės veikia kaip indukcinis filtras, dėl to srovės per jas yra beveik sinusinės.

Jei lygintuvas valdomas įėjime, tai amplitudės keitimas atliekamas valdant lygintuvą, o keitiklis yra atsakingas tik už dažnio keitimą. Kartais keitiklio išėjime įrengiamas papildomas filtras, kuris slopina srovės bangas (labai retai tai naudojamas mažos galios keitikliuose).Bet kuriuo atveju išvestis yra trifazė įtampa ir kintamoji srovė su vartotojo nustatytais pagrindiniais parametrais.