Secondo le ultime statistiche, circa il 70% di tutta l’elettricità generata nel mondo viene consumata da azionamenti elettrici. E ogni anno questa percentuale cresce.

Con un metodo correttamente selezionato per controllare un motore elettrico, è possibile ottenere la massima efficienza, la coppia massima sull'albero della macchina elettrica e allo stesso tempo aumenteranno le prestazioni complessive del meccanismo. I motori elettrici che funzionano in modo efficiente consumano un minimo di elettricità e forniscono la massima efficienza.

Per i motori elettrici alimentati da inverter, l'efficienza dipenderà in gran parte dal metodo scelto per controllare la macchina elettrica. Solo comprendendo i meriti di ciascun metodo gli ingegneri e i progettisti dei sistemi di azionamento possono ottenere le massime prestazioni da ciascun metodo di controllo.
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Metodi di controllo

Molte persone che lavorano nel campo dell'automazione, ma non sono strettamente coinvolte nello sviluppo e nell'implementazione dei sistemi di azionamento elettrico, credono che il controllo del motore elettrico consista in una sequenza di comandi immessi tramite un'interfaccia da un pannello di controllo o da un PC. Sì, dal punto di vista della gerarchia gestionale complessiva sistema automatizzato questo è corretto, ma ci sono ancora modi per controllare il motore elettrico stesso. Sono questi metodi che avranno il massimo impatto sulle prestazioni dell'intero sistema.

Per i motori elettrici asincroni collegati a un convertitore di frequenza, esistono quattro metodi di controllo principali:

• U/f – volt per hertz;
• U/f con encoder;
• Controllo vettoriale ad anello aperto;
• Controllo vettoriale ad anello chiuso;

Tutti e quattro i metodi utilizzano la modulazione della larghezza degli impulsi PWM, che modifica la larghezza di un segnale fisso variando la larghezza degli impulsi per creare un segnale analogico.

La modulazione di larghezza di impulso viene applicata al convertitore di frequenza utilizzando una tensione bus fissa corrente continua. aprendo e chiudendo rapidamente (più correttamente, commutando) generano impulsi in uscita. Variando l'ampiezza di questi impulsi in uscita si ottiene una “sinusoide” della frequenza desiderata. Anche se la forma della tensione di uscita dei transistor è pulsata, la corrente viene comunque ottenuta sotto forma di sinusoide, poiché il motore elettrico ha un'induttanza che influenza la forma della corrente. Tutti i metodi di controllo sono basati sulla modulazione PWM. La differenza tra i metodi di controllo risiede solo nel metodo di calcolo della tensione fornita al motore elettrico.

IN in questo caso La frequenza portante (mostrata in rosso) rappresenta la frequenza di commutazione massima dei transistor. La frequenza portante per gli inverter è solitamente compresa tra 2 kHz e 15 kHz. Il riferimento di frequenza (mostrato in blu) è il segnale di comando della frequenza di uscita. Per gli inverter utilizzati nei sistemi di azionamento elettrici convenzionali, di norma, varia da 0 Hz a 60 Hz. Quando i segnali di due frequenze si sovrappongono, verrà emesso un segnale per aprire il transistor (indicato in nero), che fornisce la tensione di alimentazione al motore elettrico.

Metodo di controllo U/F

Il controllo volt per Hz, più comunemente indicato come U/F, è forse il metodo di controllo più semplice. Viene spesso utilizzato in semplici sistemi di azionamento elettrico per la sua semplicità e il numero minimo di parametri richiesti per il funzionamento. Questo metodo di controllo non richiede l'installazione obbligatoria di un encoder e impostazioni obbligatorie per la frequenza azionamento elettrico regolabile(ma consigliato). Ciò porta a costi inferiori per equipaggiamento ausiliario(sensori, cavi di feedback, relè, ecc.). Il controllo U/F è spesso utilizzato nelle apparecchiature ad alta frequenza, ad esempio nelle macchine CNC per azionare la rotazione del mandrino.

Il modello a coppia costante ha una coppia costante sull'intero intervallo di velocità con lo stesso rapporto U/F. Il modello con rapporto di coppia variabile ha una tensione di alimentazione inferiore alle basse velocità. Ciò è necessario per evitare la saturazione della macchina elettrica.

U/F è l'unico modo per regolare la velocità di un motore elettrico asincrono, che consente il controllo di più azionamenti elettrici da un convertitore di frequenza. Di conseguenza, tutte le macchine si avviano e si fermano simultaneamente e funzionano alla stessa frequenza.

Ma questo metodo di controllo presenta diverse limitazioni. Ad esempio, quando si utilizza il metodo di controllo U/F senza encoder, non vi è assolutamente alcuna certezza che l'albero di una macchina asincrona ruoti. Inoltre, la coppia di avviamento di una macchina elettrica ad una frequenza di 3 Hz è limitata al 150%. Sì, la coppia limitata è più che sufficiente per ospitare la maggior parte delle apparecchiature esistenti. Ad esempio, quasi tutti i ventilatori e le pompe utilizzano il metodo di controllo U/F.

Questo metodo è relativamente semplice a causa delle sue specifiche più flessibili. La regolazione della velocità è generalmente compresa tra il 2% e il 3% della frequenza di uscita massima. La risposta in velocità è calcolata per frequenze superiori a 3 Hz. La velocità di risposta del convertitore di frequenza è determinata dalla velocità della sua risposta alle variazioni della frequenza di riferimento. Maggiore è la velocità di risposta, più velocemente la trazione elettrica risponderà ai cambiamenti nell'impostazione della velocità.

L'intervallo di controllo della velocità quando si utilizza il metodo U/F è 1:40. Moltiplicando questo rapporto per la frequenza massima di funzionamento dell'azionamento elettrico, otteniamo il valore della frequenza minima alla quale la macchina elettrica può funzionare. Ad esempio, se il valore di frequenza massimo è 60 Hz e l'intervallo è 1:40, il valore di frequenza minimo sarà 1,5 Hz.

La curva U/F determina la relazione tra frequenza e tensione durante il funzionamento di un convertitore di frequenza. In base ad essa la curva di impostazione della velocità di rotazione (frequenza del motore) determinerà, oltre al valore della frequenza, anche il valore della tensione fornita ai terminali della macchina elettrica.

Operatori e tecnici possono selezionare il modello di controllo U/F desiderato con un parametro in un moderno convertitore di frequenza. I modelli preinstallati sono già ottimizzati per applicazioni specifiche. Ci sono anche opportunità per creare i propri modelli che saranno ottimizzati per uno specifico sistema di azionamento a frequenza variabile o motore elettrico.

Dispositivi come ventilatori o pompe hanno una coppia di carico che dipende dalla loro velocità di rotazione. La coppia variabile (immagine sopra) del modello U/F previene errori di controllo e migliora l'efficienza. Questo modello di controllo riduce le correnti magnetizzanti alle basse frequenze riducendo la tensione sulla macchina elettrica.

I meccanismi a coppia costante come trasportatori, estrusori e altre apparecchiature utilizzano un metodo di controllo della coppia costante. Con carico costante, è necessaria la piena corrente di magnetizzazione a tutte le velocità. Di conseguenza la caratteristica presenta una pendenza rettilinea nell'intero intervallo di velocità.

Metodo di controllo U/F con encoder

Se è necessario aumentare la precisione del controllo della velocità di rotazione, al sistema di controllo viene aggiunto un encoder. introduzione feedback velocità utilizzando un encoder consente di aumentare la precisione del controllo allo 0,03%. La tensione di uscita sarà comunque determinata dal modello U/F specificato.

Questo metodo di controllo non è molto utilizzato poiché i vantaggi che offre rispetto alle funzioni U/F standard sono minimi. La coppia di avviamento, la velocità di risposta e l'intervallo di controllo della velocità sono tutti identici all'U/F standard. Inoltre, all'aumentare delle frequenze operative, possono sorgere problemi con il funzionamento dell'encoder, poiché ha un numero di giri limitato.

Controllo vettoriale ad anello aperto

Il controllo vettoriale ad anello aperto (VC) viene utilizzato per un controllo della velocità più ampio e dinamico di una macchina elettrica. Avviandosi da un convertitore di frequenza, i motori elettrici possono sviluppare una coppia di spunto pari al 200% della coppia nominale ad una frequenza di soli 0,3 Hz. Ciò amplia significativamente l'elenco dei meccanismi in cui è possibile utilizzare un azionamento elettrico asincrono con controllo vettoriale. Questo metodo consente inoltre di controllare la coppia della macchina in tutti e quattro i quadranti.

La coppia è limitata dal motore. Ciò è necessario per prevenire danni ad attrezzature, macchinari o prodotti. Il valore delle coppie è suddiviso in quattro diversi quadranti, a seconda del senso di rotazione della macchina elettrica (avanti o indietro) e a seconda se il motore elettrico attua . I limiti possono essere impostati singolarmente per ciascun quadrante oppure l'utente può impostare la coppia complessiva nel convertitore di frequenza.

La modalità motore di una macchina asincrona sarà fornita in modo che il campo magnetico del rotore sia in ritardo campo magnetico statore. Se il campo magnetico del rotore inizia a superare il campo magnetico dello statore, la macchina entrerà in modalità di frenata rigenerativa con rilascio di energia, in altre parole, il motore asincrono passerà alla modalità generatore;

Ad esempio, una macchina tappatrice per bottiglie può utilizzare la limitazione della coppia nel quadrante 1 (direzione in avanti con coppia positiva) per impedire un serraggio eccessivo del tappo di una bottiglia. Il meccanismo si sposta in avanti e utilizza la coppia positiva per serrare il tappo della bottiglia. Ma un dispositivo come un ascensore con un contrappeso più pesante della cabina vuota utilizzerà il quadrante 2 (rotazione inversa e coppia positiva). Se la cabina sale all'ultimo piano, la coppia sarà opposta alla velocità. Ciò è necessario per limitare la velocità di sollevamento ed evitare la caduta libera del contrappeso, poiché è più pesante della cabina.

Il feedback di corrente in questi convertitori di frequenza consente di impostare limiti sulla coppia e sulla corrente del motore elettrico, poiché all'aumentare della corrente aumenta anche la coppia. La tensione di uscita dell'inverter può aumentare se il meccanismo richiede più coppia o diminuire se viene raggiunto il valore massimo consentito. Ciò rende il principio di controllo vettoriale di una macchina asincrona più flessibile e dinamico rispetto al principio U/F.

Inoltre, i convertitori di frequenza con controllo vettoriale e anello aperto hanno una risposta di velocità più rapida di 10 Hz, che ne consente l'utilizzo in meccanismi con carichi d'urto. Ad esempio, nei frantoi da roccia, il carico cambia costantemente e dipende dal volume e dalle dimensioni della roccia da lavorare.

A differenza del modello di controllo U/F, il controllo vettoriale utilizza un algoritmo vettoriale per determinare la tensione operativa effettiva massima del motore elettrico.

Il controllo vettoriale della VU risolve questo problema grazie alla presenza di feedback sulla corrente del motore. Di norma, il feedback di corrente viene generato dai trasformatori di corrente interni del convertitore di frequenza stesso. Utilizzando il valore di corrente ottenuto, il convertitore di frequenza calcola la coppia e il flusso della macchina elettrica. Il vettore base della corrente del motore è matematicamente suddiviso in un vettore di corrente magnetizzante (I d) e coppia (I q).

Utilizzando i dati e i parametri della macchina elettrica, l'inverter calcola i vettori della corrente magnetizzante (I d) e della coppia (I q). Per ottenere le massime prestazioni, il convertitore di frequenza deve mantenere I d e I q separati da un angolo di 90 0. Ciò è significativo perché sin 90 0 = 1 e un valore pari a 1 rappresenta il valore di coppia massimo.

In generale, il controllo vettoriale di un motore a induzione fornisce un controllo più rigoroso. La regolazione della velocità è pari a circa ±0,2% della frequenza massima e l'intervallo di regolazione raggiunge 1:200, consentendo di mantenere la coppia durante il funzionamento a basse velocità.

Controllo del feedback vettoriale

Il controllo vettoriale di feedback utilizza lo stesso algoritmo di controllo del VAC ad anello aperto. La differenza principale è la presenza di un encoder, che consente al convertitore di frequenza di sviluppare una coppia di spunto del 200% a 0 giri/min. Questo punto è semplicemente necessario per creare un momento iniziale durante lo spostamento da ascensori, gru e altri mezzi di sollevamento, al fine di evitare cedimenti del carico.

La presenza di un sensore di feedback della velocità consente di aumentare il tempo di risposta del sistema a oltre 50 Hz, nonché di espandere l'intervallo di controllo della velocità a 1:1500. Inoltre, la presenza di feedback consente di controllare non la velocità della macchina elettrica, ma la coppia. In alcuni meccanismi, è il valore della coppia ad essere di grande importanza. Ad esempio, avvolgitrice, meccanismi di intasamento e altri. In tali dispositivi è necessario regolare la coppia della macchina.

Attualmente, il motore elettrico asincrono è diventato il dispositivo principale nella maggior parte degli azionamenti elettrici. Per controllarlo viene utilizzato sempre più spesso un inverter con controllo PWM. Tale gestione offre molti vantaggi, ma crea anche alcuni problemi nella scelta dell'uno o dell'altro soluzioni tecniche. Proviamo a capirli più nel dettaglio.

Dispositivo convertitore di frequenza

Lo sviluppo e la produzione di un'ampia gamma di moduli IGBT a transistor ad alta potenza e alta tensione ha reso possibile l'implementazione di interruttori di potenza multifase controllati direttamente da segnali digitali. Strumenti informatici programmabili hanno permesso di generare sequenze numeriche agli ingressi degli interruttori che forniscono segnali. Lo sviluppo e la produzione in serie di microcontrollori a chip singolo con grandi risorse di calcolo hanno reso possibile il passaggio agli azionamenti servoelettrici con controller digitali.

I convertitori di frequenza di potenza, di norma, sono implementati secondo un circuito contenente un raddrizzatore che utilizza potenti diodi o transistor di potenza e un inverter (interruttore controllato) che utilizza transistor IGBT deviati da diodi (Fig. 1).

Riso. 1. Circuito convertitore di frequenza

Lo stadio di ingresso rettifica la tensione di rete sinusoidale fornita che, dopo aver livellato con l'aiuto di un filtro induttivo-capacitivo, funge da fonte di alimentazione per un inverter controllato che, sotto l'azione dei comandi di controllo digitali, genera un segnale c, che genera correnti sinusoidali negli avvolgimenti dello statore con parametri che garantiscono la modalità operativa richiesta del motore elettrico.

Il controllo digitale del convertitore di potenza viene effettuato utilizzando l'hardware del microprocessore e corrispondente ai compiti assegnati Software. Il dispositivo di elaborazione genera segnali di controllo per 52 moduli in tempo reale ed elabora anche segnali provenienti da sistemi di misurazione che controllano il funzionamento dell'azionamento.

I dispositivi di potenza e le strutture di calcolo di controllo sono combinati come parte di un progetto strutturato prodotto industriale, chiamato convertitore di frequenza.

Esistono due tipi principali di convertitori di frequenza utilizzati nelle apparecchiature industriali:

convertitori di marca per tipi specifici di apparecchiature.

i convertitori di frequenza universali sono progettati per il controllo multiuso del funzionamento dell'IM nelle modalità specificate dall'utente.

L'installazione e il controllo delle modalità operative del convertitore di frequenza possono essere effettuati utilizzando un pannello di controllo dotato di uno schermo per visualizzare le informazioni immesse. IN versione semplice Per il controllo scalare della frequenza, è possibile utilizzare una serie di semplici funzioni logiche disponibili nelle impostazioni di fabbrica del controller e un controller PID integrato.

Per implementare modalità di controllo più complesse utilizzando i segnali provenienti dai sensori di feedback, è necessario sviluppare una struttura ACS e un algoritmo, che dovrebbe essere programmato utilizzando un computer esterno collegato.

La maggior parte dei produttori produce tutta la linea convertitori di frequenza che differiscono in ingresso e uscita caratteristiche elettriche, potenza, design e altri parametri. Per il collegamento ad apparecchiature esterne (alimentazione, motore), è possibile utilizzare elementi esterni aggiuntivi: avviatori magnetici, trasformatori, induttanze.

Tipi di segnali di controllo

È necessario distinguere tra diversi tipi di segnali e utilizzare un cavo separato per ciascuno di essi. Vari tipi i segnali possono influenzarsi a vicenda. In pratica, tale separazione avviene spesso, ad esempio il cavo può essere collegato direttamente al convertitore di frequenza.

Riso. 2. Esempio di collegamento dei circuiti di potenza e dei circuiti di controllo di un convertitore di frequenza

Si possono distinguere i seguenti tipi di segnali:

segnali analogici - di tensione o corrente (0...10 V, 0/4...20 mA), il cui valore cambia lentamente o raramente, di solito si tratta di segnali di controllo o di misurazione;

segnali discreti di tensione o corrente (0...10 V, 0/4...20 mA), che possono assumere solo due valori che cambiano raramente (alto o basso);

digitale (dati) - segnali di tensione (0...5 V, 0...10 V), che cambiano rapidamente e con alta frequenza, solitamente si tratta di segnali dalle porte RS232, RS485, ecc.;

relè - i contatti relè (0...220 V AC) possono attivare correnti induttive a seconda del carico collegato (relè esterni, lampade, valvole, freni, ecc.).

Selezione della potenza del convertitore di frequenza

Quando si sceglie la potenza di un convertitore di frequenza, è necessario basarsi non solo sulla potenza del motore elettrico, ma anche sulle correnti e tensioni nominali del convertitore e del motore. Il fatto è che la potenza indicata del convertitore di frequenza si applica solo al suo funzionamento con un motore elettrico asincrono standard a 4 poli nelle applicazioni standard.

Le vere pulsioni hanno molti aspetti che possono portare alla crescita carico corrente azionamento, ad esempio durante l'avvio. In generale, l'uso di un convertitore di frequenza consente di ridurre la corrente e i carichi meccanici dovuti inizio morbido. Ad esempio, la corrente di avviamento viene ridotta dal 600% al 100-150% del valore nominale.

Funzionamento della trazione a velocità ridotta

È necessario ricordare che sebbene il convertitore di frequenza fornisca facilmente un controllo della velocità di 10:1, quando il motore funziona a basse velocità, la potenza della propria ventola potrebbe non essere sufficiente. È necessario monitorare la temperatura del motore e fornire una ventilazione forzata.

Compatibilità elettromagnetica

Dal convertitore di frequenza fonte potente armoniche ad alta frequenza, per collegare i motori è necessario utilizzare un cavo schermato di lunghezza minima. Tale cavo deve essere posato ad una distanza di almeno 100 mm dagli altri cavi. Ciò riduce al minimo le interferenze. Se è necessario incrociare i cavi, l'incrocio viene effettuato con un angolo di 90 gradi.

Alimentato da generatore di emergenza

L'avvio graduale, fornito dal convertitore di frequenza, consente di ridurre potenza richiesta Generatore Poiché con un tale avvio la corrente viene ridotta di 4-6 volte, la potenza del generatore può essere ridotta di un numero simile di volte. È comunque necessario installare un contattore tra il generatore e il convertitore di frequenza, controllato dall'uscita relè del convertitore di frequenza. Ciò protegge il convertitore di frequenza da pericolose sovratensioni.

Alimentazione convertitore trifase da rete monofase

I convertitori di frequenza trifase possono essere alimentati da una rete monofase, ma la loro corrente di uscita non deve superare il 50% della corrente nominale.

Risparmiare energia e denaro

Il risparmio avviene per diversi motivi. In primo luogo, a causa della crescita su valori di 0,98, cioè per eseguire viene utilizzata la massima potenza lavoro utile, il minimo va in perdite. In secondo luogo, in tutte le modalità di funzionamento del motore si ottiene un coefficiente vicino a questo.

Senza convertitore di frequenza, i motori asincroni a basso carico hanno un coseno phi di 0,3-0,4. In terzo luogo, non sono necessarie ulteriori regolazioni meccaniche (flap, farfalle, valvole, freni, ecc.), Tutto avviene elettronicamente. Con un tale dispositivo di controllo, il risparmio può raggiungere il 50%.

Sincronizza più dispositivi

Grazie agli ingressi di controllo aggiuntivi del convertitore di frequenza, è possibile sincronizzare i processi sul trasportatore o impostare il rapporto delle variazioni in alcune quantità in base ad altre. Ad esempio, far dipendere la velocità di rotazione del mandrino della macchina dalla velocità di avanzamento della fresa. Il processo sarà ottimizzato perché all'aumentare del carico sulla fresa l'avanzamento verrà ridotto e viceversa.

Protezione della rete dalle armoniche superiori

Per una protezione aggiuntiva, oltre ai cavi schermati corti, vengono utilizzate induttanze di linea e condensatori di shunt. , inoltre, limita il picco di corrente all'accensione.

Scegliere la giusta classe di protezione

Per un funzionamento senza problemi di un convertitore di frequenza è necessario un dissipatore di calore affidabile. Se si utilizzano classi di protezione elevate, ad esempio IP 54 e superiori, è difficile o costoso ottenere tale dissipazione del calore. Pertanto, è possibile utilizzare un armadio separato con classe di protezione elevata, dove posizionare i moduli di classe inferiore e fornire ventilazione e raffreddamento generali.

Collegamento in parallelo di motori elettrici a un convertitore di frequenza

Per ridurre i costi è possibile utilizzare un convertitore di frequenza per controllare più motori elettrici. La sua potenza deve essere selezionata con un margine del 10-15%. potere totale tutti i motori elettrici. In questo caso è necessario ridurre al minimo la lunghezza dei cavi motore ed è molto consigliabile installare un acceleratore motore.

La maggior parte dei convertitori di frequenza non consentono di scollegare o collegare i motori tramite contattori mentre il convertitore di frequenza è in funzione. Ciò può essere fatto solo tramite il comando di arresto del convertitore.

Impostazione della funzione di controllo

Per ottenere i massimi indicatori di prestazione di un azionamento elettrico, quali: fattore di potenza, efficienza, capacità di sovraccarico, controllo regolare, durata, è necessario scegliere correttamente il rapporto tra la variazione della frequenza operativa e la tensione all'uscita del convertitore di frequenza.

La funzione di variazione della tensione dipende dalla natura della coppia di carico. A coppia costante, la tensione sullo statore del motore elettrico deve essere regolata proporzionalmente alla frequenza (regolazione scalare U/F = cost). Per un ventilatore, ad esempio, un altro rapporto è U/F*F = cost. Se aumentiamo la frequenza di 2 volte, allora la tensione dovrà essere aumentata di 4 (regolazione vettoriale). Esistono azionamenti con funzioni di controllo più complesse.

Vantaggi dell'utilizzo di un azionamento elettrico regolabile con convertitore di frequenza

Oltre ad aumentare l'efficienza e il risparmio energetico, un tale azionamento elettrico consente di ottenere nuove qualità di controllo. Ciò si esprime nel rifiuto di ulteriori dispositivi meccanici, creando perdite e riducendo l'affidabilità dei sistemi: freni, ammortizzatori, farfalle, valvole, valvole di controllo, ecc. La frenatura, ad esempio, può essere ottenuta mediante rotazione inversa del campo elettromagnetico nello statore del motore elettrico. Modificando solo il rapporto funzionale tra frequenza e tensione, otteniamo un azionamento diverso senza modificare nulla nella meccanica.

Lettura della documentazione

Va notato che sebbene i convertitori di frequenza siano simili tra loro e avendone padroneggiato uno, è facile capire l'altro, tuttavia è necessario leggere attentamente la documentazione. Alcuni produttori impongono restrizioni sull'uso dei loro prodotti e, in caso di violazione, rimuoveranno il prodotto dalla garanzia.

Al momento, sul mercato russo sono rappresentate decine di marchi di convertitori di frequenza a bassa tensione provenienti da paesi stranieri. Produttori russi. Tra questi ci sono aziende europee leader: Siemens, ABB, SEW Eurodrive, Control Techniques (Emerson Corporation), Schneider Electric, Danfoss, K.E.B., Lenze, Allen-Breadly (Rockwell Automation Corporation), Bosch Rexroth. I prodotti di questi produttori sono ampiamente rappresentati ed esiste una vasta rete di rivenditori. Finora, i prodotti di aziende europee come Emotron, Vacon, SSD Drives (Parker Corporation), Elettronica Santerno sono meno conosciuti. Ci sono anche prodotti di produttori americani: General Electric Corporation, AC Technology International (parte del gruppo Lenze) e WEG (Brasile).

Le aziende asiatiche rappresentano una seria concorrenza per i produttori europei e americani. Prima di tutto, si tratta di aziende giapponesi: Mitsubishi Electric, Omron-Yaskawa, Panasonic, Hitachi, Toshiba, Fuji Electric. I marchi coreani e taiwanesi sono ampiamente rappresentati: LG Industrial Systems, HYUNDAI Electronics, Delta Electronics, Tecorp, Long Shenq Electronic, Mecapion.

Tra i produttori nazionali, la più famosa è l'azienda Vesper. Puoi anche notare convertitori specializzati dei marchi ACh, EPV (JSC Elektroapparat), REN2K o REMS (MKE).

La maggior parte dei produttori offre convertitori di frequenza in grado di funzionare in controllo ad anello aperto e chiuso (controllo vettoriale), con una serie di ingressi e uscite programmabili e un controller PID integrato. Anche nei convertitori di frequenza coreani o taiwanesi più economici si possono trovare i cosiddetti sensorless, cioè senza sensore di posizione del rotore, modalità operativa vettoriale. L'intervallo di controllo può essere 1:50.

Tuttavia, i principali produttori offrono una modalità di controllo vettoriale più avanzata senza sensore di feedback, basata su algoritmi di controllo avanzati. Uno dei pionieri in questo settore è stato ABB, che ha proposto DTR (controllo diretto della coppia), un metodo per controllare la velocità e la coppia senza sensore di feedback. L'azienda inglese Control Techniques ha implementato una modalità di controllo del collegamento del flusso del rotore (RFC) senza utilizzare un sensore di feedback, che consente di controllare la coppia con una precisione sufficiente per la maggior parte delle attività, espandere l'intervallo di controllo a 100, garantire un'elevata precisione nel mantenimento della velocità a basse velocità e raggiungono la stessa corrente di sovraccarico delle modalità ad anello chiuso.

I grandi produttori offrono dispositivi multifunzionali con un'intera gamma di opzioni (moduli di espansione, resistenze di frenatura, controller integrati, filtri, induttanze, ecc.) o li equipaggiano con sistemi CNC o controller di movimento.

Sempre più spesso si vede l'utilizzo di un'unità in modalità rigenerativa, cioè con la capacità di restituire l'energia rilasciata durante la frenata alla rete (ascensori, scale mobili, gru). Tipicamente, a questo scopo viene utilizzato un azionamento specializzato con un raddrizzatore controllato. Aziende leader, come Control Techniques, offrono la rigenerazione come una delle modalità operative del convertitore di frequenza Unidrive SP, ottenendo così notevoli risparmi energetici e alta efficienza sistemi.

La gamma descritta consente al tecnico di scegliere un convertitore di frequenza adatto con un'ampia gamma di funzioni e programmi integrati. Allo stesso tempo, i principali marchi europei, ad esempio del Regno Unito e della Germania, competono con successo sul prezzo con maggiore funzionalità e qualità

Portiamo alla vostra attenzione una descrizione di alcuni prodotti disponibili sul mercato russo. Le informazioni sui fornitori possono essere trovate sul nostro sito web:

Rockwell Automation, leader indiscusso nel mercato dell'elettricità, ha lanciato una nuova serie di convertitori di frequenza Allen-Bradley® PowerFlex® da 0,25 kW a 6770 kW. La nuova serie altamente efficiente combina un design compatto con un ampio funzionalità ed eccellente caratteristiche di performance. Viene utilizzato nell'industria alimentare, cartaria, tessile, nella lavorazione dei metalli, nella lavorazione del legno, nelle apparecchiature di pompaggio e ventilazione, ecc. La tavolozza contiene due classi di unità: Component e Architectural. I modelli della classe Component sono progettati per risolvere compiti di controllo standard e gli azionamenti della classe Architectural, grazie a modifiche flessibili della configurazione, possono essere facilmente adattati e integrati nei sistemi di controllo di varie apparecchiature di potenza. Tutti i modelli offrono eccezionali capacità di comunicazione, un'ampia gamma di pannelli operatore e strumenti di programmazione, che facilitano notevolmente il funzionamento e accelerano l'avvio delle apparecchiature.

PowerFlex®4

L'azionamento Powerflex 4 è il membro più compatto ed economico di questa famiglia. Dispositivo di controllo della velocità ideale, questo modello offre versatilità soddisfacendo al tempo stesso i requisiti di flessibilità, compattezza e facilità d'uso dei produttori e degli utenti finali.

L'azionamento implementa una legge di controllo tensione-frequenza con possibilità di compensazione dello scorrimento. Un'eccellente aggiunta a questo modello è la versione ultracompatta dell'azionamento Power@Flex4M, con un range di potenza operativa esteso fino a 2,2 kW per la versione monofase e fino a 11 kW per tensione trifase 400VAC. La scala di prezzo proposta per questo modello ci permette di sperare, se non in un successo della stagione, nella sua popolarità abbastanza ampia.

PowerFlex®7000

I convertitori di frequenza PowerFlex serie 7000 rappresentano la terza generazione di convertitori di media tensione di Rockwell Automation. Progettato per regolare la velocità, la coppia, il senso di rotazione dei motori CA asincroni e sincroni. Il design unico della serie PowerFlex 7000 è un design brevettato PowerCage di gabbie di alimentazione contenenti i componenti principali dell'azionamento. Il nuovo design modulare è semplice e ha pochi componenti, fornendo alta affidabilità e ne facilita l'utilizzo. I principali vantaggi degli azionamenti a media tensione includono: costi operativi ridotti, capacità di avviare motori di grandi dimensioni da piccole fonti di energia e aumento caratteristiche di qualità controllato processo tecnologico e l'attrezzatura utilizzata.

A seconda della potenza in uscita, gli azionamenti sono disponibili in tre dimensioni:

Custodia A – Gamma di potenza 150-900 kW con tensione di alimentazione 2400-6600 V

Alloggiamento B – Gamma di potenza 150-4100 kW con tensione di alimentazione 2400-6600 V

Alloggiamento C – Gamma di potenza 2240-6770 kW con tensione di alimentazione 4160-6600 V

I convertitori di frequenza PowerFlex 7000 sono disponibili con opzioni a 6 impulsi, 18 impulsi o PWM, offrendo all'utente una notevole flessibilità nel ridurre l'impatto delle armoniche della linea di servizio. Inoltre, fornisce un controllo vettoriale sensorless diretto per un migliore controllo nella zona a bassa velocità rispetto agli azionamenti che utilizzano il metodo di controllo V/f, nonché la capacità di controllare la coppia del motore, come avviene negli azionamenti CC. Come pannello operatore viene offerto un modulo con display a cristalli liquidi da 16 righe e 40 caratteri.

Momento d'inerzia più elevato senza riduttore aggiuntivo

I servomotori a bassa inerzia della serie Beckhoff AM3000, realizzati con nuovi materiali e tecnologie, vengono utilizzati principalmente in applicazioni dinamiche con carichi elevati, ad esempio per azionare gli assi di macchine per la lavorazione dei metalli o dispositivi gearless. Abbinati all'elevata inerzia del rotore, offrono gli stessi vantaggi dei motori della serie AM3xxx, come l'avvolgimento statorico polare, che consente di ridurre notevolmente l'ingombro del motore. Le flange, i connettori e gli alberi dei nuovi motori della serie AM3500 sono compatibili con i collaudati motori AM3000. I nuovi modelli AM3500 sono disponibili con flange di dimensioni 3 – 6 e hanno coppie da 1,9 a 15 Nm. Le velocità di rotazione del motore vanno da 3000 a 6000 giri/min. Per i sistemi di retroazione sono disponibili convertitori di coordinate o sensori di posizione assoluta (mono o multigiro). L'alloggiamento è classificato IP 64; Sono disponibili opzioni con classe di protezione IP 65/67. Questa serie di motori soddisfa gli standard di sicurezza CE, UL e CSA.

Nuova generazione di azionamenti

La linea Emotron è stata ampliata con gli azionamenti NGD: FDU2.0, VFX2.0 (potenza da 0,75 kW a 1,6 MW) e VSC/VSA (0,18–7,5 kW). Gli azionamenti a velocità variabile FDU2.0 (per meccanismi centrifughi) e VFX2.0 (per meccanismi a pistone) consentono all'utente di impostare i parametri operativi nelle unità richieste, hanno un pannello di controllo rimovibile con una funzione per copiare le impostazioni, i modelli fino a 132 kW hanno un design standard economico IP54 (i modelli da 160 a 800 kW possono essere installati anche in speciali custodie compatte IP54). Lo scambio di dati durante il processo avviene utilizzando Fieldbus (Profibus-DP, DeviceNet, Ethernet), tramite porte (RS-232, RS-485, Modbus RTU), nonché uscite analogiche e digitali.

Gli azionamenti vettoriali VSA e VSC di piccole dimensioni sono appositamente progettati per il controllo della velocità di motori asincroni trifase. ad alta potenza: I modelli con ingresso a 220 V sono disponibili da 0,18 a 2,2 kW, mentre i modelli a 380 V sono disponibili da 0,75 a 7,5 kW.

Famiglia ATV61-ATV71

Il mercato dei convertitori di frequenza in Russia si sta sviluppando rapidamente. Non sorprende che attiri numerosi produttori, sia grandi che poco conosciuti. Al momento il mercato russo è molto segmentato. Ma ecco un paradosso: nonostante ci siano attualmente più di 30 marchi sul mercato, una quota di mercato significativa appartiene a 7-8 aziende e non più di due leader indiscussi. Allo stesso tempo magnifico specifiche l'attrezzatura non è una garanzia di successo. Le posizioni di leader in Russia sono state prese da aziende che investono ingenti fondi nello sviluppo del business e nelle infrastrutture aziendali.

L'azienda Schneider Electric, i cui interessi in Russia sono rappresentati dalla JSC Schneider Electric, nel 2007 ha ampliato notevolmente la propria offerta di prodotti. Ora la famiglia ATV61-ATV71 è stata arricchita con una modifica per una tensione di 690 V e sono apparse molte versioni con grado di protezione IP54. Esiste anche un modello speciale per l'azionamento di ascensori e gru ATV71*383 con un'esclusiva tecnologia di controllo del motore sincrono. Entro la fine del 2008, nella linea Altivar apparirà un apparecchio con una potenza di 2400 kW a 690 V. Altivar 61 può ora funzionare in applicazioni con trasformatori step-up.

La nuova serie economica Altivar 21 è progettata specificamente per impianti di riscaldamento, condizionamento e ventilazione in edifici residenziali e pubblici. Altivar 21 controlla motori da 0,75 a 75 kW con tensioni di 380 V e 200 ... 240 V.

Altivar 21 dispone di numerose funzioni applicative:

– regolatore PI integrato;

– “ritiro al volo”;

– funzione sonno/veglia;

– protezione e gestione allarmi;

– resistenza ai disturbi di rete, funzionamento a temperature fino a +50°C e caduta di tensione del -50%.

Grazie alla nuova tecnologia senza condensatori, Altivar 21 non necessita di dispositivi di mitigazione delle armoniche. Il coefficiente totale è THDI 30%. L'abbandono dei condensatori e l'utilizzo di semiconduttori più potenti hanno aumentato il tempo di funzionamento.

La leadership di Schneider Electric nel mercato dei convertitori è il risultato di un serio lavoro volto a migliorare la tolleranza ai guasti dei convertitori. L'MTTF per alcuni modelli arriva fino a 640.000 ore. Altivar funziona con cadute di tensione fino a -50%, temperature fino a +50%, in ambienti chimicamente aggressivi e con rumore impulsivo nella rete. Questo è un argomento serio per ripetere l'acquisto. La fiducia dell'acquirente nell'attrezzatura e la reputazione dell'azienda non possono essere sopravvalutate.

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La produzione moderna richiede l'automazione di molte operazioni di configurazione manuale vari parametri su varie macchine e macchine confezionatrici. Spesso l'operatore ha la necessità di modificare i parametri geometrici di un manufatto o altre attività simili. In questo caso gli azionamenti di posizionamento di SICK-Stegmann sono il dispositivo conveniente ideale per questo tipo di operazione.

HIPERDRIVE® – gli azionamenti di posizionamento sono il risultato dell'integrazione di un motore DC brushless, un riduttore, un encoder assoluto multigiro, un'elettronica di potenza e di controllo in un unico dispositivo. Gli azionamenti dispongono tra l'altro di un'interfaccia di rete Profibus o DeviceNet. Questo dispositivo ha lo scopo di eseguire attività di posizionamento punto a punto ed è un dispositivo a scatola nera facile da utilizzare.

Attualmente per tali compiti vengono utilizzati i servoazionamenti. Ma l'uso di tali sistemi presenta una serie di svantaggi. Innanzitutto questo non è economicamente giustificato. I sistemi basati su servo solitamente richiedono anche un inverter, un freno e un encoder assoluto.

I principali vantaggi di queste unità:

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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 si forma 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 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.

Informazioni sui metodi di gestione

In un motore elettrico sincrono, la velocità del rotore è

in regime stazionario è pari 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 ciò

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 mediante un convertitore, regoliamo la velocità del rotore.

Il convertitore di frequenza più comune basato su motori asincroni a gabbia di scoiattolo utilizza il controllo della frequenza scalare e vettoriale.

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 si regola nella gamma a bassa frequenza, anche la coppia massima diminuisce, 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 azionamento a frequenza variabile con controllo vettoriale senza sensore di feedback della velocità, ma il controllo vettoriale richiede un volume elevato e ad alta velocità calcoli dal 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, nonché una soluzione grande quantità 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 commutabili richiede sistemi di controllo relativamente complessi, 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 della macchina elettrica, riduzione della coppia e forti interferenze 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 la massima efficienza rispetto ad altri convertitori (98,5% e superiore),

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 variabile. 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 retroazione.

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 pressione costante ud viene fornito 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 progettazione 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 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 e dimensioni specifici, la gamma di variazioni della frequenza di uscita va da 0 a 250-300 Hz, l'efficienza dei convertitori 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.

Il controllo della frequenza della velocità angolare di rotazione di un azionamento elettrico con motore asincrono è attualmente ampiamente utilizzato, poiché consente di modificare dolcemente la velocità del rotore su un ampio intervallo, sia al di sopra che al di sotto dei valori nominali.

I convertitori di frequenza sono dispositivi moderni e high-tech con un ampio campo di controllo e un'ampia gamma di funzioni per il controllo dei motori asincroni. La massima qualità e affidabilità ne consentono l'utilizzo in vari settori per controllare gli azionamenti di pompe, ventilatori, trasportatori, ecc.

In base alla tensione di alimentazione, i convertitori di frequenza sono suddivisi in monofase e trifase e, in base alla loro progettazione, in macchine elettriche rotanti e statiche. Nei convertitori di macchine elettriche la frequenza variabile è ottenuta mediante l'utilizzo di macchine elettriche convenzionali o speciali. La modifica della frequenza della corrente di alimentazione si ottiene attraverso l'uso di elementi elettrici che non si muovono.

I convertitori di frequenza per reti monofase consentono di fornire azionamento elettrico per apparecchiature di produzione con una potenza fino a 7,5 kW. Una caratteristica progettuale dei moderni convertitori monofase è che all'ingresso è presente una fase con una tensione di 220 V e all'uscita tre fasi con lo stesso valore di tensione, che consente di collegare motori elettrici trifase al dispositivo senza l'uso di condensatori.

I convertitori di frequenza alimentati da una rete trifase 380 V sono prodotti nella gamma di potenza da 0,75 a 630 kW. A seconda del livello di potenza, i dispositivi sono realizzati in custodie combinate di polimero e metallo.

La strategia di gestione più popolare motori elettrici asincroniè il controllo vettoriale. Al giorno d'oggi, la maggior parte dei convertitori di frequenza implementa il controllo vettoriale o addirittura il controllo vettoriale sensorless (questa tendenza si trova in convertitori di frequenza, che inizialmente implementano il controllo scalare e non dispongono di terminali per il collegamento di un sensore di velocità).

In base al tipo di carico in uscita, i convertitori di frequenza sono suddivisi per tipologia costruttiva:

per azionamenti di pompe e ventilatori;

per azionamento elettrico industriale generale;

utilizzato come parte di motori elettrici funzionanti con sovraccarico.

I moderni convertitori di frequenza hanno una serie diversificata di caratteristiche funzionali, ad esempio hanno il controllo manuale e automatico della velocità e del senso di rotazione del motore, nonché sul pannello di controllo. Dotato della possibilità di regolare il range di frequenza di uscita da 0 a 800 Hz.

I convertitori sono in grado di controllare automaticamente un motore asincrono utilizzando segnali provenienti da sensori periferici e di azionare l'azionamento elettrico secondo un algoritmo di temporizzazione specificato. Funzioni di supporto per il ripristino automatico della modalità operativa in caso di interruzione di corrente a breve termine. Eseguire il controllo processi di transizione da un telecomando e proteggere i motori elettrici dai sovraccarichi.

Dall'equazione segue la relazione tra la velocità angolare di rotazione e la frequenza della corrente di alimentazione

ω o = 2πf 1 /p

Con una tensione costante dell'alimentatore U1 e una variazione di frequenza, il flusso magnetico cambia motore asincrono. Inoltre, per miglior utilizzo sistema magnetico, quando la frequenza di alimentazione diminuisce, è necessario ridurre proporzionalmente la tensione, altrimenti la corrente magnetizzante e le perdite nell'acciaio aumenteranno notevolmente.

Allo stesso modo, quando la frequenza di alimentazione aumenta, la tensione deve essere aumentata proporzionalmente per mantenere costante il flusso magnetico, altrimenti (con una coppia costante sull'albero) ciò comporterà un aumento della corrente del rotore, sovraccaricando di corrente i suoi avvolgimenti. e una diminuzione della coppia massima.

La legge razionale della regolazione della tensione dipendeva dalla natura del momento di resistenza.

Con una coppia di carico statica costante (Mñ = cost), la tensione deve essere regolata in proporzione alla sua frequenza U1/f1 = cost. Per la natura del carico, il rapporto assume la forma U1/f 2 1 = cost.

Con una coppia di carico inversamente proporzionale alla velocità U1/ √ f1= cost.

Le figure seguenti mostrano uno schema di collegamento semplificato e le caratteristiche meccaniche di un motore asincrono con controllo in frequenza della velocità angolare.

Il motore asincrono viene portato dal principale quasi a zero.

Quando cambia la frequenza della rete di alimentazione, il limite superiore della velocità di rotazione di un motore asincrono dipende dalle sue proprietà meccaniche, soprattutto perché a frequenze superiori alla frequenza nominale il motore asincrono funziona con prestazioni energetiche migliori rispetto a frequenze più basse. Pertanto, se nel sistema di azionamento viene utilizzato un riduttore, questo controllo della frequenza del motore deve essere effettuato non solo verso il basso, ma anche verso l'alto dal punto nominale, fino alla velocità di rotazione massima consentita nelle condizioni di resistenza meccanica del rotore.

Quando la velocità del motore aumenta al di sopra del valore specificato nel passaporto, la frequenza della fonte di alimentazione non deve superare la frequenza nominale di non più di 1,5 - 2 volte.

Il metodo della frequenza è il più promettente per la regolazione di un motore asincrono con rotore a gabbia di scoiattolo. Le perdite di potenza in questo modo di regolazione sono piccole, poiché non sono accompagnate da un aumento. Le caratteristiche meccaniche risultanti sono altamente rigide.