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Nei motori elettrici asincroni è necessario regolare la velocità del rotore. A tale scopo viene utilizzato un convertitore di frequenza, il cui elemento principale è un convertitore di frequenza. Il suo design include un ponte corrente continua, è anche un raddrizzatore che converte la corrente alternata industriale in corrente continua. Un'altra parte importante è l'inverter, che converte inversamente la corrente continua in corrente alternata con la frequenza e l'ampiezza richieste.

Principio di funzionamento del convertitore di frequenza

I motori asincroni sono ampiamente utilizzati nell'industria e nei trasporti, essendo la principale forza motrice di componenti, macchine e meccanismi. Sono altamente affidabili e relativamente facili da riparare.

Tuttavia, questi dispositivi possono ruotare solo a una frequenza, ovvero l'alimentazione CA. Per operare in gamme diverse, vengono utilizzati dispositivi speciali: convertitori di frequenza che adattano le frequenze ai parametri richiesti.

Il funzionamento dei convertitori è strettamente correlato al principio di funzionamento motore asincrono. Il suo statore è costituito da tre avvolgimenti, ciascuno dei quali è collegato elettricità, creando un campo magnetico alternato. Sotto l'influenza di questo campo, nel rotore viene indotta una corrente che porta anche all'apparenza campo magnetico. Come risultato dell'interazione dei campi dello statore e del rotore, il rotore inizia a ruotare.

Quando un motore a induzione si avvia, vi è un notevole assorbimento di corrente dalla rete di alimentazione. Per questo motivo, l'azionamento del meccanismo subisce un sovraccarico significativo. C'è un desiderio spasmodico del motore di raggiungere la velocità nominale. Di conseguenza, la durata non solo dell'unità stessa, ma anche dei dispositivi da essa alimentati si riduce.

Questo problema viene risolto con successo utilizzando un convertitore di frequenza, che consente di modificare la frequenza della tensione che fornisce il motore. L'uso di moderni componenti elettronici rende questi dispositivi di piccole dimensioni e altamente efficienti.

Il principio di funzionamento del convertitore di frequenza è abbastanza semplice. Innanzitutto la tensione di rete viene fornita al raddrizzatore, dove viene trasformata in corrente continua. Viene quindi livellato dai condensatori e inviato a un convertitore a transistor. I suoi transistor allo stato aperto hanno una resistenza estremamente bassa. Si aprono e chiudono in determinati orari tramite controllo elettronico. Una tensione simile a quella trifase si forma quando le fasi sono spostate l'una rispetto all'altra. Gli impulsi hanno forma rettangolare, tuttavia, ciò non influisce affatto sul funzionamento del motore.

I convertitori di frequenza sono di grande importanza durante il funzionamento. Con questo schema di connessione, è necessario utilizzare un condensatore di sfasamento per creare una coppia. L'efficienza dell'unità diminuisce notevolmente, ma il convertitore di frequenza aumenta le sue prestazioni.

Pertanto, l'applicazione è frequente azionamento elettrico regolabile rende più efficiente il controllo dei motori AC trifase. Di conseguenza, la produzione migliora processi tecnologici e le risorse energetiche vengono utilizzate in modo più razionale.

Vantaggi e svantaggi dei dispositivi di controllo della frequenza

Questi dispositivi di regolazione presentano indubbi vantaggi e garantiscono un elevato effetto economico. Si distinguono per l'elevata precisione delle regolazioni e forniscono una coppia di spunto pari al massimo. Se necessario, il motore elettrico può funzionare a carico parziale, consentendo un notevole risparmio energetico. I regolatori di frequenza prolungano significativamente la vita delle apparecchiature. Quando il motore si avvia senza intoppi, la sua usura diventa molto inferiore.

Il convertitore di frequenza può essere diagnosticato a distanza tramite una rete industriale. Ciò consente di tenere traccia delle ore lavorate dal motore, riconoscere i guasti di fase nei circuiti di ingresso e uscita e identificare anche altri difetti e malfunzionamenti.

Al dispositivo di controllo possono essere collegati diversi sensori che consentono di regolare determinate quantità, ad esempio la pressione. Se la tensione di rete scompare improvvisamente, viene attivato un sistema di frenata controllata e riavvio automatico. La velocità di rotazione viene stabilizzata al variare del carico. Il convertitore di frequenza sta diventando un sostituto alternativo dell'interruttore automatico.

Lo svantaggio principale è l'interferenza causata dalla maggior parte dei modelli di tali dispositivi. Per garantire il normale funzionamento, è necessario installare filtri anti-interferenza ad alta frequenza. Inoltre, la maggiore potenza degli azionamenti a frequenza variabile ne aumenta significativamente i costi, quindi il periodo minimo di recupero dell'investimento è di 1-2 anni.

Applicazione di dispositivi di regolazione

I dispositivi di controllo della frequenza vengono utilizzati in molti settori: nell'industria e nella vita di tutti i giorni. Sono dotati di laminatoi, trasportatori, macchine da taglio, ventilatori, compressori, miscelatori, elettrodomestici lavatrici e condizionatori d'aria. Le trasmissioni si sono dimostrate efficaci nel trasporto urbano con filobus. L'uso di azionamenti a frequenza variabile nelle macchine utensili a controllo numerico consente di sincronizzare i movimenti nella direzione di più assi contemporaneamente.

Questi sistemi forniscono il massimo effetto economico se utilizzati in vari modi attrezzature di pompaggio. Lo standard di qualsiasi tipo è regolare le strozzature installate nelle linee di pressione e determinare il numero di unità operative. Per questo motivo è possibile ottenerne alcuni specifiche tecniche, come la pressione della conduttura e altri.

Le pompe hanno una velocità costante e non tengono conto della variazione della portata derivante dal consumo d'acqua variabile. Anche in caso di flusso minimo, le pompe manterranno una velocità costante, portando alla creazione di un eccesso di pressione nella rete e causando situazioni di emergenza. Tutto ciò è accompagnato da un notevole dispendio energetico. Ciò avviene soprattutto di notte, quando si registra un forte calo del consumo di acqua.

Con l'avvento degli azionamenti a frequenza variabile è diventato possibile mantenere una pressione costante direttamente sui consumatori. Questi sistemi si sono dimostrati efficaci in combinazione con motori asincroni per uso generale. Il controllo della frequenza consente di modificare la velocità di rotazione dell'albero, rendendola superiore o inferiore alla velocità nominale. Un sensore di pressione installato presso il consumatore trasmette informazioni a un azionamento a frequenza variabile, che, a sua volta, modifica la frequenza fornita al motore.

I moderni dispositivi di controllo sono di dimensioni compatte. Sono alloggiati in un alloggiamento protetto da polvere e umidità. Grazie all'interfaccia intuitiva, i dispositivi possono essere utilizzati anche nelle condizioni più difficili, con un ampio intervallo di potenza - da 0,18 a 630 kilowatt e una tensione di 220/380 volt.

Produciamo e vendiamo convertitori di frequenza:
Prezzi per convertitori di frequenza (21/01/16):
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Prezzo potenza modello
CFM110 0,25 kW 2300 UAH
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CFM110 0,55kW 2500 UAH
CFM210 1,0 kW 3200 UAH
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Un moderno azionamento elettrico a frequenza controllata è costituito da un motore elettrico asincrono o sincrono e da un convertitore di frequenza (vedere Fig. 1.).

Un motore elettrico converte l'energia elettrica in

energia meccanica e mette in moto l'organo esecutivo del meccanismo tecnologico.

Il convertitore di frequenza controlla il motore elettrico ed è un dispositivo elettronico statico. All'uscita del convertitore viene generata una tensione elettrica con ampiezza e frequenza variabili.

Il nome “azionamento elettrico a frequenza variabile” è dovuto al fatto che la velocità di rotazione del motore viene controllata modificando la frequenza della tensione di alimentazione fornita al motore da un convertitore di frequenza.

Negli ultimi 10-15 anni, il mondo ha assistito a un’introduzione diffusa e di successo di azionamenti elettrici a frequenza variabile per risolvere vari problemi tecnologici in molti settori dell’economia. Ciò è spiegato principalmente dallo sviluppo e dalla creazione di convertitori di frequenza basati su una base di elementi fondamentalmente nuova, basata principalmente su transistor bipolari con IGBT a gate isolato.

Questo articolo descrive brevemente i tipi di convertitori di frequenza oggi conosciuti che vengono utilizzati negli azionamenti elettrici a frequenza variabile, i metodi di controllo implementati in essi, le loro caratteristiche e caratteristiche.

Nelle discussioni successive parleremo di un azionamento elettrico trifase a controllo di frequenza, poiché ha la più grande applicazione industriale.

Sui metodi di gestione

In un motore elettrico sincrono, la velocità del rotore è

in regime stazionario è uguale alla frequenza di rotazione del campo magnetico dello statore.

In un motore elettrico asincrono, la velocità del rotore è

in stato stazionario differisce dalla velocità di rotazione per l'entità dello scorrimento.

La frequenza di rotazione del campo magnetico dipende dalla frequenza della tensione di alimentazione.

Quando l'avvolgimento dello statore di un motore elettrico viene alimentato con una tensione trifase a frequenza, viene creato un campo magnetico rotante. La velocità di rotazione di questo campo è determinata dalla formula ben nota

dove è il numero di coppie di poli dello statore.

Il passaggio dalla velocità di rotazione del campo, misurata in radianti, alla frequenza di rotazione, espressa in giri al minuto, si effettua mediante la seguente formula

dove 60 è il fattore di conversione della dimensione.

Sostituendo la velocità di rotazione del campo in questa equazione, otteniamo questo

Pertanto, la velocità del rotore dei motori sincroni e asincroni dipende dalla frequenza della tensione di alimentazione.

Il metodo di regolazione della frequenza si basa su questa dipendenza.

Modificando la frequenza all'ingresso del motore utilizzando un convertitore, regoliamo la velocità del rotore.

Nella frequenza più comune azionamento variabile Basati su motori asincroni a gabbia di scoiattolo, vengono utilizzati il ​​controllo scalare e vettoriale della frequenza.

Con il controllo scalare, l'ampiezza e la frequenza della tensione applicata al motore vengono modificate secondo una determinata legge. Una variazione della frequenza della tensione di alimentazione porta ad una deviazione dai valori calcolati della coppia massima e iniziale del motore, dell'efficienza e del fattore di potenza. Pertanto, per mantenere le caratteristiche prestazionali richieste del motore, è necessario modificare contemporaneamente l'ampiezza della tensione con una variazione della frequenza.

Nei convertitori di frequenza esistenti, con controllo scalare, il rapporto tra la coppia massima del motore e il momento resistente sull'albero viene spesso mantenuto costante. Cioè, quando la frequenza cambia, l'ampiezza della tensione cambia in modo tale che il rapporto tra la coppia massima del motore e la coppia di carico attuale rimane invariato. Questo rapporto è chiamato capacità di sovraccarico del motore.

A una capacità di sovraccarico costante, il fattore di potenza nominale e l'efficienza del motore nell'intera gamma di controllo della velocità di rotazione praticamente non cambiano.

La coppia massima sviluppata dal motore è determinata dalla seguente relazione

dove è un coefficiente costante.

Pertanto, la dipendenza della tensione di alimentazione dalla frequenza è determinata dalla natura del carico sull'albero del motore elettrico.

Per una coppia di carico costante, il rapporto U/f = cost viene mantenuto e, di fatto, si garantisce che la coppia massima del motore rimanga costante. La natura della dipendenza della tensione di alimentazione dalla frequenza nel caso di coppia di carico costante è mostrata in Fig. 2. L'angolo di inclinazione della retta sul grafico dipende dai valori del momento resistente e della coppia massima del motore.

Allo stesso tempo, alle basse frequenze, a partire da un certo valore di frequenza, la coppia massima del motore inizia a diminuire. Per compensare ciò e aumentare la coppia di spunto viene utilizzato un aumento del livello della tensione di alimentazione.

Nel caso di un carico del ventilatore si realizza la dipendenza U/f2 = const. La natura della dipendenza della tensione di alimentazione dalla frequenza in questo caso è mostrata in Fig. 3. Quando regolato nella gamma delle basse frequenze, diminuisce anche la coppia massima, ma per questo tipo di carico ciò non è critico.

Utilizzando la dipendenza della coppia massima dalla tensione e dalla frequenza, è possibile tracciare un grafico di U rispetto a f per qualsiasi tipo di carico.

Un vantaggio importante del metodo scalare è la capacità di controllare simultaneamente un gruppo di motori elettrici.

Il controllo scalare è sufficiente per la maggior parte delle applicazioni pratiche degli azionamenti a frequenza variabile con un intervallo di controllo della velocità del motore fino a 1:40.

Il controllo vettoriale consente di aumentare significativamente la gamma di controllo, la precisione del controllo e aumentare la velocità dell'azionamento elettrico. Questo metodo fornisce il controllo diretto della coppia del motore.

La coppia è determinata dalla corrente dello statore, che crea un emozionante campo magnetico. Con controllo diretto della coppia

È necessario modificare, oltre all'ampiezza e alla fase della corrente statorica, cioè il vettore corrente. Da qui deriva il termine “controllo vettoriale”.

Per controllare il vettore corrente e, di conseguenza, la posizione del flusso magnetico dello statore rispetto al rotore rotante, è necessario conoscere in qualsiasi momento l'esatta posizione del rotore. Il problema viene risolto utilizzando un sensore di posizione del rotore esterno o determinando la posizione del rotore mediante calcoli utilizzando altri parametri del motore. Come parametri vengono utilizzate le correnti e le tensioni degli avvolgimenti dello statore.

Meno costoso è un convertitore di frequenza con controllo vettoriale senza sensore. feedback velocità, tuttavia, il controllo vettoriale richiede un volume elevato e un'elevata velocità di calcoli da parte del convertitore di frequenza.

Inoltre, per il controllo diretto della coppia a velocità di rotazione basse, prossime allo zero, è impossibile il funzionamento di un azionamento elettrico a frequenza controllata senza retroazione della velocità.

Il controllo vettoriale con un sensore di feedback della velocità fornisce un intervallo di controllo fino a 1:1000 e superiore, la precisione del controllo della velocità è di qualche centesimo di punto percentuale, la precisione della coppia è di qualche punto percentuale.

Un azionamento sincrono a velocità variabile utilizza gli stessi metodi di controllo di un azionamento asincrono.

Tuttavia, nella sua forma pura, il controllo della frequenza della velocità di rotazione dei motori sincroni viene utilizzato solo a basse potenze, quando le coppie di carico sono piccole e l'inerzia del meccanismo di azionamento è bassa. A potenze elevate, solo un azionamento con carico della ventola soddisfa pienamente queste condizioni. In casi con altri tipi di carico, il motore potrebbe perdere il sincronismo.

Per gli azionamenti elettrici sincroni ad alta potenza, viene utilizzato il metodo controllo della frequenza con autosincronizzazione, che impedisce al motore di perdere la sincronizzazione. La particolarità del metodo è che il convertitore di frequenza viene controllato in stretta conformità con la posizione del rotore del motore.

Un convertitore di frequenza è un dispositivo progettato per convertire la corrente alternata (tensione) di una frequenza in corrente alternata (tensione) di un'altra frequenza.

La frequenza di uscita nei moderni convertitori può variare in un ampio intervallo ed essere sia superiore che inferiore alla frequenza della rete di alimentazione.

Il circuito di qualsiasi convertitore di frequenza è costituito da parti di potenza e di controllo. La parte di potenza dei convertitori è solitamente costituita da tiristori o transistor che funzionano in modalità interruttore elettronico. La parte di controllo viene eseguita su microprocessori digitali e fornisce il controllo della potenza
chiavi elettroniche, oltre a risolvere un gran numero di compiti ausiliari (monitoraggio, diagnostica, protezione).

Convertitori di frequenza,

utilizzato in regolamentato

Gli azionamenti elettrici, a seconda della struttura e del principio di funzionamento dell'azionamento, sono suddivisi in due classi:

1. Convertitori di frequenza con un collegamento CC intermedio chiaramente definito.

2. Convertitori di frequenza con accoppiamento diretto (senza collegamento CC intermedio).

Ciascuna delle classi di convertitori esistenti presenta vantaggi e svantaggi, che determinano l'area di applicazione razionale di ciascuno di essi.

Storicamente, i convertitori ad accoppiamento diretto sono stati i primi ad apparire.

(Fig. 4.), in cui la parte di potenza è un raddrizzatore controllato ed è costituita da tiristori non bloccabili. Il sistema di controllo sblocca alternativamente i gruppi di tiristori e collega gli avvolgimenti dello statore del motore all'alimentazione.

Pertanto, la tensione di uscita del convertitore è formata dalle sezioni "tagliate" delle sinusoidi della tensione di ingresso. Nella figura 5. mostra un esempio di generazione della tensione di uscita per una delle fasi di carico. All'ingresso del convertitore è presente una tensione sinusoidale trifase ia, iv, is. La tensione di uscita iv1x ha una forma "a dente di sega" non sinusoidale, che può essere approssimata condizionatamente da una sinusoide (linea ispessita). La figura mostra che la frequenza della tensione di uscita non può essere uguale o superiore alla frequenza della rete di alimentazione. Varia da 0 a 30 Hz. Di conseguenza, l'intervallo di controllo della velocità del motore è ridotto (non più di 1: 10). Questa limitazione non consente l'uso di tali convertitori nei moderni azionamenti a frequenza variabile con un'ampia gamma di controllo dei parametri tecnologici.

L'uso di tiristori non bloccabili richiede relativamente sistemi complessi controlli che aumentano il costo del convertitore.

La sinusoide "tagliata" all'uscita del convertitore è una fonte di armoniche più elevate, che causano ulteriori perdite nel motore elettrico, surriscaldamento macchina elettrica, riduzione della coppia, interferenze molto forti nella rete di alimentazione. L'utilizzo di dispositivi di compensazione comporta un aumento del costo, del peso, delle dimensioni e una diminuzione dell'efficienza. sistemi nel loro complesso.

Oltre agli svantaggi elencati, i convertitori ad accoppiamento diretto presentano alcuni vantaggi. Questi includono:

Quasi il massimo alta efficienza rispetto ad altri convertitori (98,5% e oltre),

La capacità di lavorare con tensioni e correnti elevate, che rende possibile il loro utilizzo in potenti azionamenti ad alta tensione,

Relativamente economico, nonostante l'aumento del costo assoluto dovuto ai circuiti di controllo e alle apparecchiature aggiuntive.

Circuiti convertitori simili vengono utilizzati nei vecchi azionamenti e i nuovi progetti non sono praticamente sviluppati.

I più utilizzati nei moderni azionamenti a frequenza controllata sono i convertitori con un collegamento CC chiaramente definito (Fig. 6.).

I convertitori di questa classe utilizzano la doppia conversione energia elettrica: una tensione sinusoidale in ingresso con ampiezza e frequenza costanti viene raddrizzata in un raddrizzatore (V), filtrata da un filtro (F), livellata e quindi riconvertita da un inverter (I) in una tensione alternata di frequenza e ampiezza variabili. La doppia conversione energetica porta ad una diminuzione dell’efficienza. e ad un certo peggioramento degli indicatori di peso e dimensioni rispetto ai convertitori con accoppiamento diretto.

Per generare tensione alternata sinusoidale vengono utilizzati inverter di tensione autonomi e inverter di corrente autonomi.

I tiristori bloccabili GTO e le loro modifiche migliorate GCT, IGCT, SGCT e i transistor bipolari a gate isolato IGBT sono utilizzati come interruttori elettronici negli inverter.

Il vantaggio principale dei convertitori di frequenza a tiristori, come in un circuito ad accoppiamento diretto, è la capacità di lavorare con correnti e tensioni elevate, resistendo al carico continuo e agli effetti degli impulsi.

Hanno un'efficienza maggiore (fino al 98%) rispetto ai convertitori basati su transistor IGBT (95 - 98%).

I convertitori di frequenza basati su tiristori occupano attualmente una posizione dominante negli azionamenti ad alta tensione nella gamma di potenza da centinaia di kilowatt a decine di megawatt con una tensione di uscita di 3 - 10 kV e superiore. Tuttavia, il loro prezzo per kW di potenza in uscita è il più alto nella classe dei convertitori ad alta tensione.

Fino a poco tempo fa, i convertitori di frequenza GTO rappresentavano una quota importante nel settore degli azionamenti a frequenza variabile a bassa tensione. Ma con l'avvento dei transistor IGBT, si è verificata una "selezione naturale" e oggi i convertitori basati su di essi sono generalmente leader riconosciuti nel campo degli azionamenti controllati in frequenza a bassa tensione.

Il tiristore è un dispositivo semi-controllato: per accenderlo è sufficiente applicare un breve impulso al terminale di controllo, ma per spegnerlo è necessario applicargli una tensione inversa o ridurre a zero la corrente commutata. Per
Ciò richiede un sistema di controllo complesso e ingombrante in un convertitore di frequenza a tiristori.

I transistor bipolari IGBT si distinguono dai tiristori per la completa controllabilità, un sistema di controllo semplice a basso consumo energetico e la frequenza operativa più elevata.

Di conseguenza, i convertitori di frequenza IGBT consentono di espandere la gamma di controllo della velocità di rotazione del motore e di aumentare la velocità dell'azionamento nel suo insieme.

Per un azionamento elettrico asincrono con controllo vettoriale, i convertitori IGBT consentono il funzionamento a basse velocità senza sensore di feedback.

L'uso di IGBT con una frequenza di commutazione più elevata in combinazione con un sistema di controllo a microprocessore nei convertitori di frequenza riduce il livello di armoniche più elevate caratteristiche dei convertitori a tiristori. Di conseguenza si hanno minori perdite aggiuntive negli avvolgimenti e nel circuito magnetico del motore elettrico, un ridotto riscaldamento della macchina elettrica, ridotte pulsazioni di coppia e l'eliminazione del cosiddetto "cammino" del rotore nella gamma delle basse frequenze . Si riducono le perdite nei trasformatori e nei banchi di condensatori, si aumenta la loro durata e l'isolamento dei cavi, si riduce il numero di falsi allarmi dei dispositivi di protezione e gli errori degli strumenti di misura a induzione.

I convertitori basati su transistor IGBT, rispetto ai convertitori a tiristori con la stessa potenza di uscita, si distinguono per dimensioni ridotte, peso, maggiore affidabilità grazie al design modulare degli interruttori elettronici, migliore rimozione del calore dalla superficie del modulo e un minor numero di strutturali elementi.

Consentono una protezione più completa contro picchi di corrente e sovratensione, riducendo significativamente la probabilità di guasti e danni all'azionamento elettrico.

Attualmente, i convertitori IGBT a bassa tensione hanno un prezzo più elevato per unità di potenza in uscita a causa della relativa complessità della produzione dei moduli a transistor. Tuttavia, in termini di rapporto qualità/prezzo, sulla base dei vantaggi elencati, superano nettamente i convertitori a tiristori; inoltre, negli ultimi anni si è verificato un costante calo dei prezzi dei moduli IGBT.

L'ostacolo principale al loro utilizzo negli azionamenti ad alta tensione con conversione diretta di frequenza e con potenze superiori a 1 - 2 MW sono attualmente le limitazioni tecnologiche. Un aumento della tensione di commutazione e della corrente operativa porta ad un aumento delle dimensioni del modulo transistor e richiede anche una rimozione del calore più efficiente dal cristallo di silicio.

Le nuove tecnologie dei transistor bipolari mirano a superare queste limitazioni e le prospettive per le applicazioni IGBT sono molto elevate anche negli azionamenti ad alta tensione. Attualmente, i transistor IGBT vengono utilizzati nei convertitori ad alta tensione sotto forma di più collegamenti in serie

Struttura e principio di funzionamento di un convertitore di frequenza a bassa tensione basato su transistor GBT

Un tipico circuito di un convertitore di frequenza a bassa tensione è mostrato in Fig. 7. La parte inferiore della figura mostra i grafici delle tensioni e delle correnti all'uscita di ciascun elemento del convertitore.

La tensione alternata della rete di alimentazione (IV) con ampiezza e frequenza costanti (UEx = const, f^ = const) viene fornita ad un raddrizzatore controllato o non controllato (1).

Per attenuare le increspature della tensione raddrizzata (e raddrizzata), viene utilizzato un filtro (2). Il raddrizzatore e il filtro capacitivo (2) costituiscono il collegamento CC.

Dall'uscita del filtro viene fornita una tensione costante ud all'ingresso di un inverter autonomo (3).

L'inverter autonomo dei moderni convertitori a bassa tensione, come notato, si basa su transistor bipolari di potenza con IGBT a gate isolato. La figura in questione mostra un circuito convertitore di frequenza con inverter di tensione autonomo come quello più utilizzato.

ZVE MO PS xr<)A\U IQTOTOKAj

L'inverter converte la tensione continua ud in tensione impulsiva trifase (o monofase) di ampiezza e frequenza variabili. Sulla base dei segnali provenienti dal sistema di controllo, ciascun avvolgimento del motore elettrico è collegato tramite i corrispondenti transistor di potenza dell'inverter ai poli positivo e negativo del collegamento CC.

La durata di connessione di ciascun avvolgimento all'interno del periodo di ripetizione dell'impulso è modulata secondo una legge sinusoidale. La massima ampiezza dell'impulso viene fornita a metà del semiciclo e diminuisce verso l'inizio e la fine del semiciclo. Pertanto, il sistema di controllo fornisce la modulazione della larghezza di impulso (PWM) della tensione applicata agli avvolgimenti del motore. L'ampiezza e la frequenza della tensione sono determinate dai parametri della funzione sinusoidale modulante.

Ad elevate frequenze portanti PWM (2 ... 15 kHz), gli avvolgimenti del motore agiscono come un filtro grazie alla loro elevata induttanza. Pertanto, in essi scorrono correnti quasi sinusoidali.

Nei circuiti convertitori con raddrizzatore controllato (1), una variazione dell'ampiezza della tensione uH può essere ottenuta regolando il valore della tensione costante ud e una variazione della frequenza può essere ottenuta regolando la modalità operativa dell'inverter.

Se necessario, all'uscita dell'inverter autonomo viene installato un filtro (4) per attenuare le ondulazioni di corrente. (Nei circuiti convertitori IGBT, a causa del basso livello di armoniche superiori nella tensione di uscita, non è praticamente necessario un filtro.)

Pertanto, all'uscita del convertitore di frequenza, si forma una tensione alternata trifase (o monofase) di frequenza e ampiezza variabili (iout = var, ^out = var).

Negli ultimi anni molte aziende, dettate dalle esigenze del mercato, hanno prestato grande attenzione allo sviluppo e alla realizzazione di convertitori di frequenza ad alta tensione. La tensione di uscita richiesta di un convertitore di frequenza per un azionamento elettrico ad alta tensione raggiunge 10 kV e oltre con una potenza fino a diverse decine di megawatt.

Per tali tensioni e potenze, la conversione diretta della frequenza utilizza interruttori elettronici di potenza a tiristori molto costosi con circuiti di controllo complessi. Il convertitore è collegato alla rete tramite un reattore limitatore di corrente in ingresso o tramite un trasformatore di adattamento.

La tensione e la corrente massime di un singolo interruttore elettronico sono limitate, pertanto vengono utilizzate soluzioni circuitali speciali per aumentare la tensione di uscita del convertitore. Inoltre, ciò consente di ridurre il costo complessivo dei convertitori di frequenza ad alta tensione attraverso l'uso di interruttori elettronici a bassa tensione.

Le seguenti soluzioni circuitali vengono utilizzate nei convertitori di frequenza di diversi produttori.

Nel circuito del convertitore (Fig. 8.), la doppia trasformazione della tensione viene eseguita utilizzando trasformatori ad alta tensione step-down (T1) e step-up (T2).

La doppia trasformazione consente di utilizzare la Fig. 9 per la regolazione della frequenza.Relativamente economico

convertitore di frequenza a bassa tensione, la cui struttura è mostrata in Fig. 7.

I convertitori si distinguono per il loro costo relativamente basso e la facilità di implementazione pratica. Di conseguenza, vengono spesso utilizzati per controllare motori elettrici ad alta tensione nella gamma di potenza fino a 1 - 1,5 MW. Con una maggiore potenza dell'azionamento elettrico, il trasformatore T2 introduce distorsioni significative nel processo di controllo del motore elettrico. I principali svantaggi dei convertitori a due trasformatori sono le caratteristiche di peso e dimensioni elevate, efficienza inferiore rispetto ad altri schemi (93 - 96%) e affidabilità.

I convertitori realizzati secondo questo schema hanno un intervallo limitato di controllo della velocità del motore sia al di sopra che al di sotto della frequenza nominale.

Quando la frequenza all'uscita del convertitore diminuisce, la saturazione del nucleo aumenta e la modalità operativa di progetto del trasformatore di uscita T2 viene interrotta. Pertanto, come dimostra la pratica, il campo di regolazione è limitato a Pnom>P>0,5Pnom. Per espandere la gamma di controllo vengono utilizzati trasformatori con una sezione trasversale maggiore del nucleo magnetico, ma ciò aumenta il costo, il peso e le dimensioni.

All'aumentare della frequenza di uscita, aumentano le perdite nel nucleo del trasformatore T2 dovute all'inversione della magnetizzazione e alle correnti parassite.

Negli azionamenti con una potenza superiore a 1 MW e una tensione a bassa tensione di 0,4 - 0,6 kV, la sezione del cavo tra il convertitore di frequenza e l'avvolgimento a bassa tensione dei trasformatori deve essere progettata per correnti fino a kiloampere, che aumenta il peso del convertitore.

Per aumentare la tensione operativa del convertitore di frequenza, gli interruttori elettronici sono collegati in serie (vedere Fig. 9.).

Il numero di elementi in ciascun braccio è determinato dalla tensione operativa e dal tipo di elemento.

Il problema principale di questo schema è lo stretto coordinamento del funzionamento delle chiavi elettroniche.

Gli elementi semiconduttori, fabbricati anche nello stesso lotto, hanno una serie di parametri, quindi il compito di coordinare il loro funzionamento nel tempo è molto impegnativo. Se uno degli elementi si apre tardi o si chiude prima degli altri, gli verrà applicata l'intera tensione del braccio e si guasterà.

Per ridurre il livello di armoniche più elevate e migliorare la compatibilità elettromagnetica, vengono utilizzati circuiti convertitori multiimpulso. Il coordinamento del convertitore con la rete di alimentazione viene effettuato utilizzando trasformatori di adattamento multi-avvolgimento T.

Nella figura 9. mostra un circuito a 6 impulsi con un trasformatore di adattamento a due avvolgimenti. In pratica ci sono 12, 18, 24 schemi di impulsi

convertitori. Il numero di avvolgimenti secondari dei trasformatori in questi circuiti è rispettivamente 2, 3, 4.

Il circuito è più comune per i convertitori ad alta tensione e alta potenza. I convertitori hanno alcuni dei migliori indicatori di peso specifico e dimensioni, una gamma di variazioni della frequenza di uscita da 0 a 250-300 Hz, Efficienza del convertitore raggiunge il 97,5%.

3. Circuito convertitore con trasformatore multiavvolgimento

Il circuito di potenza del convertitore (Fig. 10.) è costituito da un trasformatore multi-avvolgimento e da celle elettroniche dell'invertitore. Il numero di avvolgimenti secondari dei trasformatori nei circuiti noti raggiunge 18. Gli avvolgimenti secondari sono spostati elettricamente l'uno rispetto all'altro.

Ciò consente l'utilizzo di celle inverter a bassa tensione. La cella è realizzata secondo il seguente schema: un raddrizzatore trifase non controllato, un filtro capacitivo, un inverter monofase che utilizza transistor IGBT.

Le uscite delle celle sono collegate in serie. Nell'esempio mostrato, ciascuna fase di potenza del motore contiene tre celle.

In termini di caratteristiche, i convertitori sono più vicini ad un circuito con collegamento sequenziale di chiavi elettroniche.

Convertitori di frequenza

Dalla fine degli anni '60, i convertitori di frequenza sono cambiati radicalmente, in gran parte come risultato dello sviluppo delle tecnologie dei microprocessori e dei semiconduttori e della loro riduzione dei costi.

Tuttavia, i principi fondamentali inerenti ai convertitori di frequenza rimangono gli stessi.

I convertitori di frequenza comprendono quattro elementi principali:

Riso. 1. Schema a blocchi del convertitore di frequenza

1. Il raddrizzatore genera una tensione CC pulsante quando è collegato a un'alimentazione CA monofase/trifase. Esistono due tipi principali di raddrizzatori: controllati e non controllati.

2.Un circuito intermedio di uno dei tre tipi:

a) convertire la tensione del raddrizzatore in corrente continua.

b) stabilizzare o livellare la tensione continua pulsante e fornirla all'inverter.

c) convertire la tensione continua costante del raddrizzatore in una tensione alternata variabile.

3. Un inverter che genera la frequenza di tensione del motore elettrico. Alcuni inverter possono anche convertire la tensione CC costante in tensione CA variabile.

4. Un circuito di controllo elettronico che invia segnali al raddrizzatore, al circuito intermedio e all'inverter e riceve segnali da questi elementi. La costruzione degli elementi controllati dipende dal design dello specifico convertitore di frequenza (vedere Fig. 2.02).

Comune a tutti i convertitori di frequenza è che tutti i circuiti di controllo controllano gli elementi semiconduttori dell'inverter. I convertitori di frequenza differiscono nella modalità di commutazione utilizzata per regolare la tensione di alimentazione del motore.

Nella fig. 2, che riporta i vari principi di costruzione/controllo del convertitore, vengono utilizzate le seguenti notazioni:

1- raddrizzatore controllato,

2- raddrizzatore non controllato,

3- circuito intermedio di corrente continua variabile,

4- circuito intermedio a tensione costante CC

5- circuito intermedio di corrente continua variabile,

6- inverter con modulazione di ampiezza degli impulsi (PAM)

7- inverter con modulazione di larghezza di impulso (PWM)

Invertitore di corrente (IT) (1+3+6)

Convertitore con modulazione di ampiezza degli impulsi (PAM) (1+4+7) (2+5+7)

Convertitore di modulazione di larghezza di impulso (PWM/VVCplus) (2+4+7)

Riso. 2. Vari principi costruzione/controllo di convertitori di frequenza

Per completezza vanno menzionati i convertitori diretti che non presentano un circuito intermedio. Tali convertitori vengono utilizzati nella gamma di potenza dei megawatt per generare una tensione di alimentazione a bassa frequenza direttamente da una rete a 50 Hz, con una frequenza di uscita massima di circa 30 Hz.

Raddrizzatore

La tensione di alimentazione di rete è una tensione alternata trifase o monofase con frequenza fissa (ad esempio 3x400 V/50 Hz o 1 x 240 V/50 Hz); Le caratteristiche di queste tensioni sono illustrate nella figura seguente.

Riso. 3. Tensione CA monofase e trifase

Nella figura, tutte e tre le fasi sono spostate nel tempo, la tensione di fase cambia costantemente direzione e la frequenza indica il numero di periodi al secondo. Una frequenza di 50 Hz significa che ci sono 50 periodi al secondo (50 x T), cioè un periodo dura 20 millisecondi.

Il raddrizzatore del convertitore di frequenza è costruito su diodi, tiristori o una combinazione di entrambi. Un raddrizzatore costruito su diodi non è controllato, mentre un raddrizzatore costruito su tiristori è controllato. Se vengono utilizzati sia diodi che tiristori, il raddrizzatore è semi-controllato.

Raddrizzatori non controllati

Riso. 4. Modalità operativa del diodo.

I diodi consentono alla corrente di fluire in una sola direzione: dall'anodo (A) al catodo (K). Come con altri dispositivi a semiconduttore, la corrente del diodo non può essere regolata. La tensione CA viene convertita dal diodo in una tensione CC pulsante. Se un raddrizzatore trifase non controllato è alimentato da una tensione CA trifase, in questo caso la tensione CC pulsa.

Riso. 5. Raddrizzatore non controllato

Nella fig. La Figura 5 mostra un raddrizzatore trifase non controllato contenente due gruppi di diodi. Un gruppo è costituito dai diodi D1, D3 e D5. L'altro gruppo è costituito dai diodi D2, D4 e D6. Ciascun diodo conduce corrente per un terzo del tempo del periodo (120°). In entrambi i gruppi, i diodi conducono la corrente in una determinata sequenza. I periodi durante i quali entrambi i gruppi lavorano sono spostati l'uno dall'altro di 1/6 del tempo del periodo T (60°).

I diodi D1,3,5 sono aperti (conduttori) quando viene applicata una tensione positiva. Se la tensione della fase L raggiunge un valore di picco positivo, il diodo D è aperto e il terminale A riceve la tensione della fase L1. Gli altri due diodi saranno interessati da tensioni inverse di grandezza U L1-2 e U L1-3

La stessa cosa accade nel gruppo di diodi D2,4,6. In questo caso, il terminale B riceve una tensione di fase negativa. Se in questo momento la fase L3 raggiunge il massimo valore negativo, il diodo D6 è aperto (conduttivo). Entrambi gli altri diodi sono influenzati da tensioni inverse di grandezza U L3-1 e U L3-2

La tensione di uscita del raddrizzatore non controllato è uguale alla differenza di tensione di questi due gruppi di diodi. Il valore medio dell'ondulazione della tensione CC è 1,35 x tensione di rete.

Riso. 6. Tensione di uscita del raddrizzatore trifase non controllato

Raddrizzatori controllati

Nei raddrizzatori controllati, i diodi vengono sostituiti dai tiristori. Come un diodo, un tiristore fa passare la corrente in una sola direzione: dall'anodo (A) al catodo (K). Tuttavia, a differenza del diodo, il tiristore ha un terzo elettrodo chiamato “gate” (G). Affinché il tiristore si apra, è necessario applicare un segnale al cancello. Se c'è corrente che scorre attraverso il tiristore, il tiristore lo farà passare finché la corrente non diventa zero.

La corrente non può essere interrotta applicando un segnale al cancello. I tiristori sono utilizzati sia nei raddrizzatori che negli inverter.

Al gate a tiristori viene fornito un segnale di controllo a, caratterizzato da un ritardo espresso in gradi. Questi gradi causano un ritardo tra il momento in cui la tensione attraversa lo zero e il momento in cui il tiristore è aperto.

Riso. 7. Modalità operativa del tiristore

Se l'angolo a è compreso tra 0° e 90°, il circuito a tiristori viene utilizzato come raddrizzatore e, se compreso tra 90° e 300°, come invertitore.

Riso. 8. Raddrizzatore trifase controllato

Un raddrizzatore controllato non è sostanzialmente diverso da un raddrizzatore non controllato, tranne per il fatto che il tiristore è controllato dal segnale a e inizia a condurre dal momento in cui un diodo convenzionale inizia a condurre fino al momento in cui è 30 ° dopo il punto in cui la tensione attraversa lo zero.

La regolazione del valore di a consente di modificare l'entità della tensione raddrizzata. Il raddrizzatore controllato genera una tensione costante, il cui valore medio è 1,35 x tensione di rete x cos α

Riso. 9. Tensione di uscita del raddrizzatore trifase controllato

Rispetto a un raddrizzatore non controllato, quello controllato presenta perdite più significative e introduce un rumore maggiore nella rete di alimentazione, poiché con un tempo di trasmissione dei tiristori più breve, il raddrizzatore preleva più corrente reattiva dalla rete.

Il vantaggio dei raddrizzatori controllati è la loro capacità di restituire energia alla rete di alimentazione.

Catena intermedia

Il circuito intermedio può essere pensato come un impianto di accumulo dal quale il motore elettrico può prelevare energia tramite un inverter. A seconda del raddrizzatore e dell'inverter sono possibili tre principi per la costruzione di un circuito intermedio.

Convertitori - fonti di corrente (1-convertitori)

Riso. 10. Circuito intermedio CC variabile

Nel caso degli inverter - generatori di corrente, il circuito intermedio contiene una grande bobina di induttanza ed è interfacciato solo con un raddrizzatore controllato. L'induttore converte la tensione variabile del raddrizzatore in una corrente continua variabile. La tensione del motore elettrico è determinata dal carico.

Convertitori - sorgenti di tensione (convertitori a U)

Riso. 11. Circuito intermedio tensione continua

Nel caso degli inverter - sorgenti di tensione, il circuito intermedio è un filtro contenente un condensatore e può essere interfacciato con un raddrizzatore di due tipi. Il filtro attenua la tensione CC pulsante (U21) del raddrizzatore.

In un raddrizzatore controllato, la tensione a una determinata frequenza è costante e viene fornita all'inverter come tensione continua effettiva (U22) con ampiezza variabile.

Nei raddrizzatori non controllati, la tensione all'ingresso dell'inverter è una tensione costante con un'ampiezza costante.

Circuito intermedio di tensione continua variabile

Riso. 12. Circuito intermedio a tensione variabile

Nei circuiti intermedi con tensione continua variabile, è possibile accendere un interruttore davanti al filtro, come mostrato in Fig. 12.

Il chopper contiene un transistor che funge da interruttore, accendendo e spegnendo la tensione del raddrizzatore. Il sistema di controllo controlla il chopper confrontando la variazione di tensione dopo il filtro (U v) con il segnale di ingresso. Se c'è una differenza, il rapporto viene regolato modificando il tempo in cui il transistor è acceso e il tempo in cui è spento. Ciò modifica il valore effettivo e l'entità della tensione costante, che può essere espressa dalla formula

U v = U x t acceso / (t acceso + t spento)

Quando il transistor chopper apre il circuito di corrente, l'induttore del filtro rende la tensione ai capi del transistor infinitamente grande. Per evitare ciò, l'interruttore è protetto da un diodo a commutazione rapida. Quando il transistor si apre e si chiude come mostrato in Fig. 13, la tensione sarà più alta nella modalità 2.

Riso. 13. Il transistor chopper controlla la tensione del circuito intermedio

Il filtro del circuito intermedio attenua la tensione ad onda quadra dopo il chopper. Il condensatore e l'induttore del filtro mantengono una tensione costante ad una determinata frequenza.

A seconda del progetto, il circuito intermedio può anche svolgere funzioni aggiuntive, che includono:

Isolamento del raddrizzatore dall'inverter

Riduzione armonica

Accumulo di energia per limitare i picchi di carico intermittenti.

Invertitore

L'inverter è l'ultimo collegamento del convertitore di frequenza prima del motore elettrico e il luogo in cui avviene l'adattamento finale della tensione di uscita.

Il convertitore di frequenza fornisce condizioni operative normali nell'intero intervallo di controllo adattando la tensione di uscita alle condizioni di carico. Ciò consente di mantenere una magnetizzazione ottimale del motore.

Dal circuito intermedio l'inverter riceve

Corrente continua variabile,

Variazione della tensione CC o

Tensione continua costante.

Grazie all'inverter, in ognuno di questi casi viene fornita al motore elettrico una quantità variabile. In altre parole, l'inverter crea sempre la frequenza desiderata della tensione fornita al motore elettrico. Se la corrente o la tensione sono variabili, l'inverter produce solo la frequenza desiderata. Se la tensione è costante, l'inverter crea sia la frequenza desiderata che la tensione desiderata per il motore.

Anche se gli inverter funzionano in modi diversi, la loro struttura di base è sempre la stessa. Gli elementi principali degli inverter sono dispositivi a semiconduttore controllati, collegati a coppie in tre rami.

Attualmente, nella maggior parte dei casi, i tiristori vengono sostituiti da transistor ad alta frequenza, che sono in grado di aprirsi e chiudersi molto rapidamente. La frequenza di commutazione varia solitamente da 300 Hz a 20 kHz e dipende dai dispositivi a semiconduttore utilizzati.

I dispositivi a semiconduttore nell'inverter vengono aperti e chiusi da segnali generati dal circuito di controllo. I segnali possono essere generati in diversi modi.

Riso. 14. Invertitore di corrente del circuito intermedio a tensione variabile convenzionale.

Gli inverter convenzionali, che commutano principalmente la corrente del circuito intermedio a tensione variabile, contengono sei tiristori e sei condensatori.

I condensatori consentono ai tiristori di aprirsi e chiudersi in modo tale che la corrente negli avvolgimenti di fase venga spostata di 120 gradi e debba essere adattata alle dimensioni del motore elettrico. Quando la corrente viene periodicamente applicata ai terminali del motore Sequenze U-V, V-W, W-U, U-V..., appare un campo magnetico rotante intermittente della frequenza richiesta. Anche se la corrente del motore ha una forma quasi rettangolare, la tensione del motore sarà quasi sinusoidale. Tuttavia, quando la corrente viene attivata o disattivata, si verificano sempre picchi di tensione.

I condensatori sono separati dalla corrente di carico del motore elettrico mediante diodi.

Riso. 15. Inverter per tensione variabile o costante del circuito intermedio e dipendenza della corrente di uscita dalla frequenza di commutazione dell'inverter

Gli inverter con tensione del circuito intermedio variabile o costante contengono sei elementi di commutazione e, indipendentemente dal tipo di dispositivi a semiconduttore utilizzati, funzionano in modo quasi identico. Il circuito di controllo apre e chiude dispositivi a semiconduttore utilizzandone diversi in vari modi modulazione, modificando così la frequenza di uscita del convertitore di frequenza.

Il primo metodo consiste nel variare la tensione o la corrente nel circuito intermedio.

Gli intervalli durante i quali i singoli dispositivi a semiconduttore sono aperti sono disposti in una sequenza utilizzata per ottenere la frequenza di uscita richiesta.

Questa sequenza di commutazione del semiconduttore è controllata dall'entità della variazione della tensione o della corrente del circuito intermedio. Utilizzando un oscillatore controllato in tensione, la frequenza segue sempre l'ampiezza della tensione. Questo tipo di controllo dell'inverter è chiamato modulazione di ampiezza dell'impulso (PAM).

Per una tensione del circuito intermedio fissa viene utilizzato un metodo di base diverso. La tensione del motore diventa variabile applicando la tensione del circuito intermedio agli avvolgimenti del motore per periodi di tempo più o meno lunghi.

Riso. 16 Modulazione dell'ampiezza e della durata dell'impulso

La frequenza viene modificata modificando gli impulsi di tensione lungo l'asse del tempo: positivamente durante un semiciclo e negativamente durante l'altro.

Poiché questo metodo modifica la durata (larghezza) degli impulsi di tensione, viene chiamato modulazione di larghezza di impulso (PWM). La modulazione PWM (e metodi correlati come il PWM controllato con onda sinusoidale) è il metodo più comune di controllo dell'inverter.

Con la modulazione PWM, il circuito di controllo determina i momenti di commutazione dei dispositivi a semiconduttore all'intersezione di una tensione a dente di sega e una sinusoidale sovrapposta tensione di riferimento(PWM controllato sinusoidalmente). Altri metodi promettenti di modulazione PWM sono i metodi di modulazione dell'ampiezza dell'impulso modificata come WC e WC plus, sviluppati da Danfoss Corporation.

Transistor

Poiché i transistor possono essere scambiati con alte velocità, le interferenze elettromagnetiche che si verificano durante l'“impulso” (magnetizzazione del motore elettrico) vengono ridotte.

Un altro vantaggio dell'elevata frequenza di commutazione è la flessibilità di modulazione della tensione di uscita del convertitore di frequenza, che consente la generazione di corrente sinusoidale del motore, mentre il circuito di controllo deve semplicemente accendere e spegnere i transistor dell'inverter.

La frequenza di commutazione dell'inverter è un'arma a doppio taglio, poiché le alte frequenze possono causare il riscaldamento del motore e generare grandi picchi di tensione. Maggiore è la frequenza di commutazione, maggiori saranno le perdite.

D'altro canto, una bassa frequenza di commutazione può provocare un elevato rumore acustico.

I transistor ad alta frequenza possono essere suddivisi in tre gruppi principali:

Transistor bipolari (LTR)

MOSFET unipolari (MOS-FET)

Transistor bipolari a gate isolato (IGBT)

Attualmente, gli IGBT sono i transistor più utilizzati perché combinano le proprietà di controllo dei transistor MOS-FET con le proprietà di uscita dei transistor LTR; Inoltre, dispongono dell'intervallo di potenza, della conduttività e della frequenza di commutazione adeguati, il che rende molto più semplice il controllo dei moderni convertitori di frequenza.

Con gli IGBT, sia gli elementi dell'inverter che i controlli dell'inverter sono collocati in un modulo stampato chiamato "modulo di potenza intelligente" (IPM).

Modulazione di ampiezza dell'impulso (PAM)

La modulazione dell'ampiezza degli impulsi viene utilizzata per i convertitori di frequenza con tensione del circuito intermedio variabile.

Nei convertitori di frequenza con raddrizzatori non controllati, l'ampiezza della tensione di uscita è generata dall'interruttore intermedio e, se il raddrizzatore è controllato, l'ampiezza viene ottenuta direttamente.

Riso. 20. Formazione di tensione nei convertitori di frequenza con un interruttore nel circuito intermedio

Transistor (chopper) in Fig. 20 viene sbloccato o bloccato da un circuito di controllo e regolazione. I tempi di commutazione dipendono dal valore nominale (segnale di ingresso) e dal segnale di tensione misurata (valore effettivo). Il valore effettivo viene misurato sul condensatore.

L'induttore e il condensatore agiscono come un filtro che attenua l'ondulazione di tensione. Il picco di tensione dipende dal tempo di apertura del transistor e se nominale e valore attuale diversi tra loro, l'interruttore funziona fino al raggiungimento del livello di tensione richiesto.

Regolazione della frequenza

La frequenza della tensione di uscita viene variata dall'inverter durante un periodo e i dispositivi di commutazione a semiconduttore vengono azionati più volte durante un periodo.

La durata del periodo può essere modificata in due modi:

1.direttamente tramite segnale di ingresso o

2.utilizzando una tensione CC variabile proporzionale al segnale di ingresso.

Riso. 21a. Controllo della frequenza utilizzando la tensione del circuito intermedio

La modulazione dell'ampiezza dell'impulso è il metodo più comune per generare tensione trifase con la frequenza appropriata.

Nella modulazione di larghezza di impulso la formazione della tensione totale del circuito intermedio (≈ √2 x U rete) è determinata dalla durata e dalla frequenza di commutazione degli elementi di potenza. La frequenza di ripetizione degli impulsi PWM tra i momenti di accensione e spegnimento è variabile e consente la regolazione della tensione.

Esistono tre opzioni principali per impostare le modalità di commutazione in un inverter controllato mediante modulazione di larghezza di impulso.

1.PWM controllato sinusoidale

2.PWM sincrono

3.PWM asincrono

Ciascun ramo di un inverter PWM trifase può avere due stati diversi (acceso e spento).

I tre interruttori formano otto possibili combinazioni di commutazione (2 3) e quindi otto vettori di tensione digitali all'uscita dell'inverter o all'avvolgimento dello statore del motore elettrico collegato. Come mostrato nella Fig. 21b, questi vettori 100, 110, 010, 011, 001, 101 si trovano agli angoli dell'esagono circoscritto, utilizzando i vettori 000 e 111 come vettori zero.

Nelle combinazioni di commutazione 000 e 111 su tutti e tre i terminali di uscita dell'inverter viene creato lo stesso potenziale - positivo o negativo rispetto al circuito intermedio (vedere Fig. 21c). Per un motore elettrico ciò significa un effetto vicino a corto circuito terminali; la tensione O V è applicata anche agli avvolgimenti del motore elettrico.

PWM controllato da onda sinusoidale

Il PWM controllato a onda sinusoidale utilizza una tensione di riferimento sinusoidale (Us) per controllare ciascuna uscita dell'inverter. La durata del periodo di tensione sinusoidale corrisponde alla frequenza fondamentale desiderata della tensione di uscita. Alle tre tensioni di riferimento viene applicata una tensione a dente di sega (U D), vedere fig. 22.

Riso. 22. Principio di funzionamento del PWM a controllo sinusoidale (con due tensioni di riferimento)

Quando la tensione di rampa e le tensioni di riferimento sinusoidali si intersecano, i semiconduttori dell'inverter si aprono o si chiudono.

Le intersezioni sono determinate dagli elementi elettronici della scheda di controllo. Se la tensione di rampa è maggiore della tensione sinusoidale, quando la tensione di rampa diminuisce, gli impulsi di uscita cambiano da positivo a negativo (o da negativo a positivo), in modo che la tensione di uscita del convertitore di frequenza sia determinata dalla tensione del circuito intermedio .

La tensione di uscita varia in base al rapporto tra la durata degli stati aperto e chiuso e questo rapporto può essere modificato per ottenere la tensione richiesta. Pertanto, l'ampiezza degli impulsi di tensione negativa e positiva corrisponde sempre alla metà della tensione del circuito intermedio.

Riso. 23. Tensione di uscita del PWM controllato sinusoidalmente

A frequenze statoriche basse, il tempo nello stato chiuso aumenta e può essere così lungo da rendere impossibile mantenere la frequenza della tensione di rampa.

Ciò aumenta il periodo di assenza di tensione e il motore funzionerà in modo non uniforme. Per evitare ciò, alle basse frequenze è possibile raddoppiare la frequenza della rampa di tensione.

La tensione di fase sui terminali di uscita del convertitore di frequenza corrisponde alla metà della tensione del circuito intermedio divisa per √ 2, ovvero pari alla metà della tensione di alimentazione. La tensione di linea sui terminali di uscita è √ 3 volte la tensione di fase, ovvero pari alla tensione di alimentazione moltiplicata per 0,866.

Un inverter controllato PWM che funziona modulando esclusivamente la tensione di riferimento dell'onda sinusoidale può fornire una tensione pari all'86,6% della tensione nominale (vedi Figura 23).

Quando si utilizza la modulazione dell'onda sinusoidale pura, la tensione di uscita del convertitore di frequenza non può raggiungere la tensione del motore poiché anche la tensione di uscita sarà inferiore del 13%.

Tuttavia, la tensione aggiuntiva richiesta può essere ottenuta riducendo il numero di impulsi quando la frequenza supera circa 45 Hz, ma questo metodo presenta alcuni inconvenienti. In particolare, provoca una variazione graduale della tensione, che porta a un funzionamento instabile del motore elettrico. Se il numero degli impulsi diminuisce, aumentano le armoniche superiori all'uscita del convertitore di frequenza, il che aumenta le perdite nel motore elettrico.

Un altro modo per risolvere questo problema prevede l'utilizzo di altre tensioni di riferimento invece di tre sinusoidali. Queste sollecitazioni possono avere qualsiasi forma (ad esempio trapezoidale oa gradini).

Ad esempio, un riferimento di tensione comune utilizza la terza armonica di una tensione di riferimento sinusoidale. È possibile ottenere una tale modalità di commutazione per i dispositivi a semiconduttore dell'inverter, che aumenterà la tensione di uscita del convertitore di frequenza, aumentando l'ampiezza della tensione di riferimento sinusoidale del 15,5% e aggiungendovi una terza armonica.

PWM sincrono

La principale difficoltà nell'utilizzo del metodo PWM controllato sinusoidalmente è la necessità di determinare valori ottimali tempo di commutazione e angolo della tensione durante un dato periodo. Questi tempi di commutazione devono essere impostati in modo tale da consentire solo un minimo di armoniche superiori. Questa modalità di commutazione viene mantenuta solo per un determinato intervallo di frequenza (limitato). Il funzionamento al di fuori di questo intervallo richiede l'uso di un metodo di commutazione diverso.

PWM asincrono

La necessità di orientamento sul campo e di reattività del sistema in termini di controllo di coppia e velocità degli azionamenti CA trifase (compresi i servomotori) richiede cambiamenti graduali nell'ampiezza e nell'angolo della tensione dell'inverter. L'utilizzo della modalità di commutazione PWM “normale” o sincrona non consente modifiche graduali nell'ampiezza e nell'angolo della tensione dell'inverter.

Un modo per soddisfare questo requisito è il PWM asincrono, che invece di sincronizzare la modulazione della tensione di uscita con la frequenza di uscita, come di solito si fa per ridurre le armoniche in un motore elettrico, modula il circuito di controllo della tensione vettoriale, risultando in un accoppiamento sincrono con la frequenza di uscita.

Esistono due opzioni principali per il PWM asincrono:

SFAVM (Modulazione vettoriale asincrona orientata al flusso statorico = (modulazione vettoriale sincrona orientata al flusso magnetico dello statore)

60° AVM (Asynchronous Vector Modulation = modulazione vettoriale asincrona).

SFAVM è un metodo di modulazione vettoriale spaziale che consente modifiche casuali ma graduali della tensione, dell'ampiezza e dell'angolo dell'inverter durante il tempo di commutazione. Ciò consente di ottenere proprietà dinamiche migliorate.

Lo scopo principale dell'utilizzo di tale modulazione è ottimizzare il flusso magnetico dello statore utilizzando la tensione dello statore riducendo al contempo l'ondulazione di coppia, poiché la deviazione angolare dipende dalla sequenza di commutazione e può causare un aumento dell'ondulazione di coppia. Pertanto, la sequenza di commutazione deve essere calcolata in modo tale da ridurre al minimo la deviazione dell'angolo vettoriale. La commutazione tra i vettori di tensione si basa sul calcolo del percorso del flusso magnetico desiderato nello statore del motore, che a sua volta determina la coppia.

Lo svantaggio dei precedenti sistemi di alimentazione PWM convenzionali erano le deviazioni nell'ampiezza del vettore del flusso magnetico dello statore e nell'angolo del flusso magnetico. Queste deviazioni hanno influito negativamente sul campo rotante (coppia) nel traferro del motore elettrico e hanno causato pulsazioni di coppia. L'influenza della deviazione dell'ampiezza U è trascurabile e può essere ulteriormente ridotta aumentando la frequenza di commutazione.

Generazione della tensione del motore

Il funzionamento stabile corrisponde alla regolazione del vettore di tensione della macchina U wt in modo che descriva un cerchio (vedi Fig. 24).

Il vettore di tensione è caratterizzato dall'entità della tensione del motore elettrico e dalla velocità di rotazione, che corrisponde alla frequenza operativa nel momento considerato. La tensione del motore viene generata creando valori medi utilizzando brevi impulsi provenienti da vettori adiacenti.

Il metodo SFAVM, sviluppato da Danfoss Corporation, ha, tra le altre, le seguenti proprietà:

Il vettore di tensione può essere regolato in ampiezza e fase senza discostarsi dall'impostazione impostata.

La sequenza di commutazione inizia sempre con 000 o 111. Ciò consente al vettore di tensione di avere tre modalità di commutazione.

Il valore medio del vettore di tensione si ottiene utilizzando brevi impulsi di vettori vicini, nonché vettori zero 000 e 111.

Circuito di controllo

Il circuito di controllo, o scheda di controllo, è il quarto elemento principale del convertitore di frequenza, progettato per risolvere quattro compiti importanti:

Controllo degli elementi semiconduttori di un convertitore di frequenza.

Scambio di dati tra convertitori di frequenza e dispositivi periferici.

Raccolta dati e generazione di messaggi di guasto.

Esecuzione di funzioni di protezione per convertitore di frequenza e motore elettrico.

I microprocessori hanno aumentato la velocità del circuito di controllo, ampliato significativamente la gamma di applicazioni degli azionamenti e ridotto il numero di calcoli necessari.

Il microprocessore è integrato nel convertitore di frequenza ed è sempre in grado di determinare la combinazione ottimale di impulsi per ogni condizione operativa.

Circuito di controllo per convertitore di frequenza AIM

Riso. 25 Principio di funzionamento di un circuito di controllo per un circuito intermedio controllato da un chopper.

Nella fig. La Figura 25 mostra un convertitore di frequenza con controllo AIM e un interruttore automatico intermedio. Il circuito di controllo controlla il convertitore (2) e l'inverter (3).

Il controllo viene effettuato in base al valore istantaneo della tensione del circuito intermedio.

La tensione del circuito intermedio aziona un circuito che funge da contatore di indirizzi nella memoria di archiviazione dei dati. La memoria memorizza le sequenze di uscita per il modello di impulsi dell'inverter. Quando la tensione del circuito intermedio aumenta, il conteggio avviene più velocemente, la sequenza termina prima e la frequenza di uscita aumenta.

Per il controllo chopper, la tensione del circuito intermedio viene prima confrontata con il valore nominale del segnale di tensione di riferimento. Si prevede che questo segnale di tensione venga fornito valori corretti tensione e frequenza di uscita. Se il segnale di riferimento e il segnale del circuito intermedio vengono modificati, il controller PI informa il circuito che è necessario modificare il tempo di ciclo. Ciò fa sì che la tensione del circuito intermedio venga regolata in base al segnale di riferimento.

Un metodo di modulazione comune per il controllo di un convertitore di potenza è la modulazione di ampiezza dell'impulso (PAM). La modulazione della larghezza dell'impulso (PWM) è maggiore metodo moderno.

Controllo del campo (controllo vettoriale)

Il controllo vettoriale può essere organizzato in diversi modi. La principale differenza tra i metodi risiede nei criteri utilizzati nel calcolo dei valori di corrente attiva, corrente magnetizzante (flusso magnetico) e coppia.

Quando si confrontano i motori CC e i motori asincroni trifase (Fig. 26), vengono rilevati alcuni problemi. Nella corrente continua, i parametri importanti per la produzione della coppia - flusso magnetico (F) e corrente di armatura - sono fissi rispetto alla dimensione e alla posizione della fase e sono determinati dall'orientamento degli avvolgimenti di campo e dalla posizione del carbonio spazzole (Fig. 26a).

In un motore CC, la corrente di armatura e la corrente che crea il flusso magnetico si trovano ad angolo retto tra loro e i loro valori non sono molto grandi. In un motore elettrico asincrono, la posizione del flusso magnetico (F) e della corrente del rotore (I,) dipende dal carico. Inoltre, a differenza di un motore CC, gli angoli di fase e la corrente non possono essere determinati direttamente dalla dimensione dello statore.

Riso. 26. Confronto tra macchina DC e macchina asincrona AC

Tuttavia, utilizzando un modello matematico, è possibile calcolare la coppia dal rapporto tra il flusso magnetico e la corrente dello statore.

Dalla corrente statorica misurata (ls) viene estratta una componente (l w) che crea una coppia con flusso magnetico (Ф) ad angolo retto tra queste due variabili (l in). Questo crea il flusso magnetico del motore elettrico (Fig. 27).

Riso. 27. Calcolo delle componenti di corrente per la regolazione del campo

Con queste due componenti di corrente è possibile influenzare in modo indipendente la coppia e il flusso magnetico. Tuttavia, a causa della complessità dei calcoli basati sul modello dinamico di un motore elettrico, tali calcoli sono economicamente vantaggiosi solo negli azionamenti digitali.

Poiché in questo metodo il controllo dell'eccitazione, indipendente dal carico, è separato dal controllo della coppia, è possibile controllare dinamicamente un motore a induzione allo stesso modo di un motore DC, a condizione che sia disponibile un segnale di feedback. Questo metodo di controllo di un motore CA trifase presenta i seguenti vantaggi:

Buona risposta ai cambiamenti di carico

Controllo preciso della potenza

Coppia massima a velocità zero

Le caratteristiche prestazionali sono paragonabili a quelle degli azionamenti DC.

Regolazione delle caratteristiche V/f e del vettore di flusso magnetico

Negli ultimi anni sono stati sviluppati sistemi di controllo della velocità motori trifase AC basato su due principi diversi controlli:

controllo V/f normale, o controllo SCALARE e controllo vettoriale del flusso magnetico.

Entrambi i metodi presentano i propri vantaggi, a seconda dei requisiti specifici di prestazioni di guida (dinamica) e precisione.

Il controllo V/f ha un intervallo di controllo della velocità limitato (circa 1:20) e a bassa velocità è richiesto un principio di controllo diverso (compensazione). Utilizzando questo metodo è relativamente semplice adattare il convertitore di frequenza al motore e il controllo è immune alle variazioni istantanee del carico nell'intero intervallo di velocità.

Negli azionamenti con controllo di flusso, il convertitore di frequenza deve essere configurato con precisione per il motore, il che richiede una conoscenza dettagliata dei suoi parametri. Sono inoltre necessari componenti aggiuntivi per ricevere il segnale di feedback.

Alcuni vantaggi di questo tipo di controllo:

Risposta rapida ai cambi di velocità e ampio intervallo di velocità

Migliore risposta dinamica ai cambi di direzione

Un principio di controllo uniforme è garantito in tutta la gamma di velocità.

Per l'utente soluzione ottimale ci sarebbe una combinazione migliori proprietà entrambi i principi. Ovviamente, sono necessarie sia la proprietà di resistenza alle variazioni di carico/scarico sull'intero intervallo di velocità, che di solito è un punto di forza del controllo V/f, sia una risposta rapida alle variazioni del riferimento di velocità (come nel controllo di campo).

Creato alla fine del XIX secolo, il motore asincrono trifase è diventato una componente indispensabile della moderna produzione industriale.

Per avviare e arrestare senza problemi tali apparecchiature, è necessario un dispositivo speciale: un convertitore di frequenza. Particolarmente importante è la presenza di un convertitore per motori di grandi dimensioni e di elevata potenza. Utilizzando questo dispositivo aggiuntivo è possibile regolare le correnti di avviamento, ovvero controllarne e limitarne il valore.

Se si regola esclusivamente la corrente di avviamento meccanicamente, non sarà possibile evitare perdite di energia e ridurre la durata dell'apparecchiatura. Questa corrente è da cinque a sette volte superiore alla tensione nominale, il che è inaccettabile per il normale funzionamento dell'apparecchiatura.

Il principio di funzionamento di un moderno convertitore di frequenza prevede l'uso del controllo elettronico. Non solo forniscono un avvio graduale, ma regolano anche agevolmente il funzionamento dell'azionamento, aderendo al rapporto tra tensione e frequenza rigorosamente secondo una determinata formula.

Il vantaggio principale del dispositivo è il risparmio nel consumo energetico, in media del 50%. E anche la possibilità di adeguamento tenendo conto delle esigenze di produzione specifica.

Il dispositivo funziona secondo il principio della doppia conversione di tensione.

1. raddrizzato e filtrato da un sistema di condensatori.
2. Quindi entra in funzione il controllo elettronico: viene generata una corrente alla frequenza specificata (programmata).

L'uscita produce impulsi rettangolari che, sotto l'influenza dell'avvolgimento dello statore del motore (la sua induttanza), si avvicinano a una sinusoide.

Cosa cercare quando si sceglie?

I produttori si concentrano sul costo del convertitore. Pertanto, molte opzioni sono disponibili solo su modelli costosi. Quando si sceglie un dispositivo, è necessario determinare i requisiti di base per un uso specifico.

• Il controllo può essere vettoriale o scalare. Il primo consente una regolazione precisa. Il secondo supporta solo una relazione specifica tra frequenza e tensione di uscita ed è adatto solo per dispositivi semplici, come un ventilatore.
• Maggiore è la potenza specificata, più universale sarà il dispositivo: sarà garantita l'intercambiabilità e la manutenzione delle apparecchiature sarà semplificata.
• L'intervallo di tensione di rete dovrebbe essere il più ampio possibile, il che proteggerà dai cambiamenti nelle sue norme. Il downgrade non è pericoloso per il dispositivo quanto l'upgrade. Con quest'ultimo, i condensatori di rete potrebbero esplodere.
• La frequenza deve soddisfare pienamente le esigenze produttive. Il limite inferiore indica l'intervallo di controllo della velocità del convertitore. Se è necessaria una larghezza maggiore, sarà necessario il controllo vettoriale. In pratica vengono utilizzate frequenze da 10 a 60 Hz, meno spesso fino a 100 Hz.
• Il controllo viene effettuato attraverso vari ingressi e uscite. Più ce ne sono, meglio è. Ma un numero maggiore di connettori aumenta significativamente il costo del dispositivo e ne complica la configurazione.

Gli ingressi (uscite) discreti vengono utilizzati per immettere comandi di controllo e inviare messaggi di eventi (ad esempio, surriscaldamento), digitali - per immettere segnali digitali (ad alta frequenza), analogici - per immettere segnali di feedback.

• Il bus di controllo dell'apparecchiatura collegata deve corrispondere alle capacità del circuito del convertitore di frequenza in termini di numero di ingressi e uscite. È meglio avere una piccola riserva per la modernizzazione.
• Capacità di sovraccarico. La scelta ottimale è un dispositivo con una potenza superiore del 15% rispetto alla potenza del motore utilizzato. In ogni caso è necessario leggere la documentazione. I produttori indicano tutti i principali parametri del motore. Se i carichi di picco sono importanti, selezionare un convertitore con una corrente di picco nominale superiore del 10% a quella specificata.

Assemblaggio convertitore di frequenza fai-da-te per un motore asincrono

Puoi assemblare tu stesso l'inverter o il convertitore. Attualmente ci sono molte istruzioni e schemi per tale assemblaggio su Internet.

Il compito principale è ottenere un modello “popolare”. Economico, affidabile e progettato per uso domestico. Per utilizzare le apparecchiature su scala industriale, ovviamente, è meglio dare la preferenza ai dispositivi venduti nei negozi.
Procedura per assemblare un circuito convertitore di frequenza per un motore elettrico

Per lavorare con il cablaggio domestico, con una tensione di 220 V e una fase. Potenza motore approssimativa fino a 1 kW.

In una nota. I cavi lunghi devono essere dotati di anelli antirumore.

La regolazione della rotazione del rotore del motore rientra nell'intervallo di frequenza di 1:40. Per le basse frequenze è necessaria una tensione fissa (compensazione IR).

Collegamento di un convertitore di frequenza a un motore elettrico

Per il cablaggio monofase a 220V (uso domestico), il collegamento viene effettuato secondo lo schema “a triangolo”. La corrente di uscita non deve superare il 50% della corrente nominale!

Per il cablaggio trifase a 380V (uso industriale), collegare il motore a convertitore di frequenza effettuato secondo lo schema “a stella”.

Il convertitore (o ) ha terminali corrispondenti contrassegnati da lettere.

• R, S, T – i cavi di rete sono collegati qui, l'ordine non ha importanza;
• U, V, W – per accendere un motore asincrono (se il motore ruota dentro rovescio, è necessario invertire uno qualsiasi dei due fili su questi terminali).
• Viene fornito un terminale di terra separato.

Per prolungare la vita del convertitore è necessario osservare le seguenti regole:

1. Pulisci regolarmente l'interno del dispositivo dalla polvere (è meglio soffiarlo con un piccolo compressore, poiché un aspirapolvere non può sempre far fronte allo sporco: la polvere si compatta).
2. Sostituire i componenti in modo tempestivo. I condensatori elettrolitici sono progettati per cinque anni, i fusibili per dieci anni di funzionamento. E le ventole di raffreddamento durano dai due ai tre anni di utilizzo. I cavi interni dovrebbero essere sostituiti ogni sei anni.
3. Monitorare la temperatura interna e la tensione del bus CC.

L'aumento della temperatura porta all'essiccazione della pasta termoconduttiva e alla distruzione dei condensatori. Sui componenti della trasmissione elettrica dovrebbe essere sostituito almeno una volta ogni tre anni.

4. Rispettare le condizioni operative. Temperatura ambiente non deve superare i +40 gradi. Non accettabile alta umidità e polverosità dell'aria.

Controllare un motore asincrono (ad esempio) è abbastanza processo difficile. I convertitori fatti in casa sono più economici degli analoghi industriali e sono abbastanza adatti per l'uso domestico. Tuttavia, per l'uso industriale, è preferibile installare inverter assemblati in fabbrica. Solo tecnici ben addestrati possono riparare modelli così costosi.

Descrizione:

Un convertitore di frequenza combinato con un motore elettrico asincrono consente di sostituire un azionamento elettrico CC. I sistemi di controllo della velocità del motore DC sono abbastanza semplici, ma il punto debole di tale azionamento elettrico è il motore elettrico. È costoso e inaffidabile. Durante il funzionamento, le spazzole scintillano e il commutatore si consuma sotto l'influenza dell'erosione elettrica. Tale motore elettrico non può essere utilizzato in ambienti polverosi ed esplosivi.

I motori elettrici asincroni sono superiori ai motori CC sotto molti aspetti: sono semplici nel design e affidabili, poiché non hanno contatti mobili. Hanno dimensioni, peso e costo inferiori rispetto ai motori DC a parità di potenza. I motori asincroni sono facili da produrre e da utilizzare.

Lo svantaggio principale dei motori elettrici asincroni è la difficoltà di regolarne la velocità metodi tradizionali(modificando la tensione di alimentazione, introducendo ulteriori resistenze nel circuito di avvolgimento).

Il controllo di un motore elettrico asincrono in modalità frequenza è stato fino a poco tempo fa un grosso problema, sebbene la teoria del controllo della frequenza sia stata sviluppata negli anni '30. Lo sviluppo degli azionamenti a frequenza variabile è stato ostacolato dal costo elevato dei convertitori di frequenza. L'emergere di circuiti di alimentazione con transistor IGBT e lo sviluppo di sistemi di controllo a microprocessore ad alte prestazioni hanno consentito a diverse aziende in Europa, Stati Uniti e Giappone di creare moderni convertitori di frequenza a un prezzo accessibile.

È noto che il controllo della velocità attuatori può essere effettuato utilizzando vari dispositivi: variatori meccanici, giunti idraulici, resistori inseriti ulteriormente nello statore o nel rotore, convertitori di frequenza elettromeccanici, convertitori di frequenza statici.

L'uso dei primi quattro dispositivi non prevede Alta qualità controllo della velocità, antieconomico, costoso da installare e da utilizzare.
I convertitori di frequenza statici sono attualmente i dispositivi di controllo dell'azionamento asincrono più avanzati.

Il principio del metodo di frequenza del controllo della velocità di un motore asincrono è quello modificando la frequenza f1 tensione di alimentazione, è possibile secondo l'espressione

senza modificare il numero di coppie polari p, modificare la velocità angolare del campo magnetico dello statore.

Questo metodo fornisce un controllo uniforme della velocità su un ampio intervallo e le caratteristiche meccaniche sono altamente rigide.

La regolazione della velocità non è accompagnata da un aumento dello scorrimento del motore asincrono, quindi le perdite di potenza durante la regolazione sono ridotte.

Per ottenere elevate prestazioni energetiche di un motore asincrono: fattori di potenza, azione utile, capacità di sovraccarico: è necessario modificare la tensione fornita contemporaneamente alla frequenza.

La legge della variazione di tensione dipende dalla natura della coppia di carico SM. A coppia di carico costante Mc=cost La tensione dello statore deve essere regolata proporzionalmente alla frequenza :

Per la natura della coppia di carico del ventilatore, questo stato ha la forma:

Con una coppia di carico inversamente proporzionale alla velocità:

Pertanto, per una regolazione continua e regolare della velocità dell'albero di un motore elettrico asincrono, il convertitore di frequenza deve fornire una regolazione simultanea della frequenza e della tensione sullo statore del motore asincrono.

Vantaggi dell'utilizzo dell'azionamento elettrico regolabile nei processi tecnologici

L'utilizzo di un azionamento elettrico controllato garantisce il risparmio energetico e consente di ottenere nuove qualità di sistemi e oggetti. Significativi risparmi energetici si ottengono regolando qualsiasi parametro tecnologico. Se si tratta di un trasportatore o di un trasportatore, puoi regolare la velocità del suo movimento. Se si tratta di una pompa o di un ventilatore, è possibile mantenere la pressione o regolare le prestazioni. Se si tratta di una macchina utensile, è possibile regolare agevolmente la velocità di avanzamento o il movimento principale.

Uno speciale effetto economico derivante dall'uso dei convertitori di frequenza deriva dall'uso della regolazione della frequenza negli impianti che trasportano liquidi. Fino ad ora, il modo più comune per regolare le prestazioni di tali oggetti era l'uso di valvole a saracinesca o valvole di controllo, ma oggi sta diventando disponibile il controllo della frequenza di un motore asincrono che aziona, ad esempio, la girante di un'unità di pompaggio o di un ventilatore.

La promessa della regolazione della frequenza è chiaramente visibile dalla Figura 1

Pertanto, durante la strozzatura, il flusso di una sostanza trattenuto da una saracinesca o da una valvola non viene interrotto lavoro utile. L'uso di un azionamento elettrico regolabile di una pompa o di un ventilatore consente di impostare la pressione o la portata richiesta, il che non solo farà risparmiare energia, ma ridurrà anche le perdite della sostanza trasportata.

Struttura del convertitore di frequenza

La maggior parte dei moderni convertitori di frequenza sono costruiti utilizzando uno schema a doppia conversione. Sono costituiti dalle seguenti parti principali: un collegamento CC (raddrizzatore non controllato), un inverter di impulsi di potenza e un sistema di controllo.

Il collegamento CC è costituito da un raddrizzatore non controllato e da un filtro. La tensione alternata della rete di alimentazione viene convertita in tensione continua.

L'inverter a impulsi trifase di potenza è costituito da sei interruttori a transistor. Ciascun avvolgimento del motore elettrico è collegato tramite un corrispondente interruttore ai terminali positivo e negativo del raddrizzatore. L'inverter converte la tensione raddrizzata in una tensione alternata trifase della frequenza e ampiezza richieste, che viene applicata agli avvolgimenti dello statore del motore elettrico.

Negli stadi di uscita dell'inverter, i transistor di potenza IGBT vengono utilizzati come interruttori. Rispetto ai tiristori hanno una frequenza di commutazione più elevata, che consente loro di produrre un segnale di uscita sinusoidale con una distorsione minima.

Principio di funzionamento del convertitore di frequenza

Il convertitore di frequenza è costituito da un raddrizzatore di potenza a diodi non controllato B, un inverter autonomo, un sistema di controllo PWM, a regolazione automatica, induttore Lв e condensatore di filtro Cв (Fig. 2). Regolazione della frequenza di uscita fout. e la tensione Uout viene effettuata nell'inverter grazie al controllo della larghezza di impulso ad alta frequenza.

Il controllo dell'ampiezza dell'impulso è caratterizzato da un periodo di modulazione, all'interno del quale l'avvolgimento dello statore del motore elettrico è collegato alternativamente ai poli positivo e negativo del raddrizzatore.

La durata di questi stati all'interno del periodo PWM è modulata secondo una legge sinusoidale. A frequenze di clock PWM elevate (solitamente 2...15 kHz), le correnti sinusoidali fluiscono negli avvolgimenti del motore a causa delle loro proprietà di filtraggio.

La regolazione della velocità non è accompagnata da un aumento dello scorrimento del motore asincrono, quindi le perdite di potenza durante la regolazione sono ridotte. Per ottenere elevate prestazioni energetiche di un motore asincrono - fattori di potenza, rendimento, capacità di sovraccarico - è necessario modificare la tensione di ingresso contemporaneamente alla frequenza.

Struttura del convertitore di frequenza

Il più moderno convertitori di frequenza costruito utilizzando uno schema di doppia conversione. La tensione sinusoidale in ingresso con ampiezza e frequenza costanti viene raddrizzata nel circuito intermedio B, livellata da un filtro costituito da un'induttanza Lв e il condensatore di filtro Cv, e poi riconvertiti dall'inverter AIN in tensione alternata di frequenza e ampiezza variabili. Regolazione della frequenza di uscita fout. e la tensione Uout viene effettuata nell'inverter grazie al controllo della larghezza di impulso ad alta frequenza. Il controllo dell'ampiezza dell'impulso è caratterizzato da un periodo di modulazione, all'interno del quale l'avvolgimento dello statore del motore elettrico è collegato alternativamente ai poli positivo e negativo del raddrizzatore.

La durata di connessione di ciascun avvolgimento all'interno del periodo di ripetizione dell'impulso è modulata secondo una legge sinusoidale. La massima ampiezza dell'impulso viene fornita a metà del semiciclo e diminuisce verso l'inizio e la fine del semiciclo. Pertanto, il sistema di controllo del sistema di controllo fornisce la modulazione della larghezza di impulso (PWM) della tensione applicata agli avvolgimenti del motore. L'ampiezza e la frequenza della tensione sono determinate dai parametri della funzione sinusoidale modulante. Pertanto, all'uscita del convertitore di frequenza si forma una tensione alternata trifase di frequenza e ampiezza variabili.

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