Tipos de conversores de frequência

Dispositivos chamados conversores de frequência são usados ​​para converter a tensão CA da rede elétrica com uma frequência industrial de 50/60 Hz em tensão CA de uma frequência diferente. A frequência de saída do conversor de frequência pode variar amplamente, geralmente de 0,5 a 400 Hz. Frequências mais altas são inaceitáveis ​​para motores modernos devido à natureza dos materiais dos quais os núcleos do estator e do rotor são feitos.

Qualquer tipo conversor de frequência inclui duas partes principais: controle e fonte de alimentação. A parte de controle é um circuito de um microcircuito digital que fornece controle das chaves da unidade de potência e também serve para controlar, diagnosticar e proteger o acionamento acionado e o próprio conversor.

A seção da fonte de alimentação inclui diretamente os interruptores - transistores ou tiristores poderosos. Neste caso, os conversores de frequência são de dois tipos: com uma seção destacada de corrente contínua ou com comunicação direta. Os conversores de acoplamento direto têm eficiência de até 98% e podem operar com tensões e correntes significativas.Em geral, cada um dos dois tipos de conversores de frequência mencionados tem vantagens e desvantagens individuais, e pode ser racional aplicar um ou outro para diferentes aplicações.

comunicação direta

Os conversores de frequência com conexão galvânica direta foram os primeiros a aparecer no mercado, sua seção de potência é um retificador de tiristor controlado, no qual certos grupos de tiristores de travamento são abertos por sua vez e os enrolamentos do estator são conectados por sua vez à rede. Isso significa que, em última análise, a tensão fornecida ao estator é moldada como pedaços de uma onda senoidal da rede elétrica que é alimentada em série aos enrolamentos.

A tensão senoidal é convertida em uma tensão dente de serra na saída. A frequência é menor que a da rede elétrica - de 0,5 a cerca de 40 Hz. Obviamente, o alcance deste tipo de conversor é limitado. Tiristores sem travamento requerem esquemas de controle mais complexos, o que aumenta o custo desses dispositivos.

Partes da onda senoidal de saída geram harmônicos mais altos, e são perdas adicionais e superaquecimento do motor com diminuição do torque do eixo, além disso, não entram distúrbios fracos na rede. Se forem usados ​​dispositivos de compensação, os custos aumentam novamente, as dimensões e o peso aumentam e a eficiência do conversor diminui.

As vantagens dos conversores de frequência com acoplamento galvânico direto incluem:

• a possibilidade de operação contínua com tensões e correntes significativas;
• resistência de sobrecarga de impulso;
• Eficiência de até 98%;
• aplicabilidade em circuitos de alta tensão de 3 a 10 kV e até superiores.

Nesse caso, os conversores de frequência de alta tensão são, obviamente, mais caros do que os de baixa tensão. Anteriormente, eles eram usados ​​onde necessário - ou seja, conversores de tiristores acoplados diretamente.

Com conexão DC destacada

Para inversores modernos, os conversores de frequência com um bloco CC destacado são mais amplamente usados ​​para fins de regulação de frequência. Aqui, a conversão é feita em duas etapas. Primeiro, a tensão da rede de entrada é retificada e filtrada, suavizada e, em seguida, alimentada ao inversor, onde é convertida em corrente alternada com a frequência necessária e tensão com a amplitude necessária.

A eficiência dessa dupla conversão diminui e as dimensões do dispositivo tornam-se ligeiramente maiores do que as dos conversores com conexão elétrica direta. A onda senoidal é gerada aqui por um inversor autônomo de corrente e tensão.

Em conversores de frequência do barramento CC, tiristores de travamento ou transistores IGBT… Os tiristores de travamento foram usados ​​​​principalmente nos primeiros conversores de frequência fabricados desse tipo; então, com o surgimento dos transistores IGBT no mercado, foram os conversores baseados nesses transistores que começaram a dominar entre os dispositivos de baixa tensão.

Para ligar o tiristor, um pulso curto aplicado ao eletrodo de controle é suficiente e, para desligá-lo, é necessário aplicar uma tensão reversa ao tiristor ou zerar a corrente de comutação. É necessário um esquema de controle especial — complexo e dimensional. Os transistores IGBT bipolares têm controle mais flexível, menor consumo de energia e velocidade bastante alta.

Por esta razão, conversores de frequência baseados em transistores IGBT tornaram possível estender a faixa de velocidade de controle do drive: motores assíncronos de controle vetorial baseados em transistores IGBT podem operar com segurança em baixas velocidades sem a necessidade de sensores de realimentação.

Microprocessadores acoplados a transistores de alta velocidade produzem menos harmônicos mais altos na saída do que conversores tiristorizados. Como resultado, as perdas são menores, os enrolamentos e o circuito magnético superaquecem menos, as pulsações do rotor em baixas frequências são reduzidas. Menos perdas em bancos de capacitores, em transformadores - a vida útil desses elementos aumenta. Há menos erros no trabalho.

Se compararmos um conversor de tiristor com um conversor de transistor com a mesma potência de saída, o segundo pesará menos, será menor em tamanho e sua operação será mais confiável e uniforme. O design modular dos interruptores IGBT permite uma dissipação de calor mais eficiente e requer menos espaço para montagem de elementos de potência, além disso, os interruptores modulares são mais protegidos contra surtos de comutação, ou seja, a probabilidade de danos é menor.

Os conversores de frequência baseados em IGBTs são mais caros porque os módulos de potência são componentes eletrônicos complexos de fabricar. No entanto, o preço é justificado pela qualidade. Ao mesmo tempo, as estatísticas mostram uma tendência de diminuir os preços dos transistores IGBT a cada ano.

O princípio de operação do conversor de frequência IGBT

A figura mostra um diagrama de um conversor de frequência e gráficos de correntes e tensões de cada um dos elementos. Tensão de rede de amplitude e frequência constantes alimenta o retificador, que pode ser controlado ou não. Após o retificador, há um capacitor - um filtro capacitivo. Esses dois elementos - um retificador e um capacitor - formam uma unidade CC.

Do filtro, uma tensão constante é agora fornecida a um inversor de pulso autônomo no qual os transistores IGBT funcionam. O diagrama mostra uma solução típica para conversores de frequência modernos. A tensão direta é convertida em um pulso trifásico com frequência e amplitude ajustáveis.

O sistema de controle fornece sinais oportunos para cada uma das teclas e as bobinas correspondentes são alternadas sequencialmente para a conexão permanente. Nesse caso, a duração da conexão das bobinas à conexão é modulada para senoidal. Assim, na parte central do meio período, a largura do pulso é a maior e nas bordas - a menor. está acontecendo aqui tensão de modulação de largura de pulso nos enrolamentos do estator do motor. A frequência do PWM geralmente atinge 15 kHz, e as próprias bobinas funcionam como um filtro indutivo, pelo que as correntes através delas são quase senoidais.

Se o retificador for controlado na entrada, então a mudança de amplitude é feita controlando o retificador, e o inversor é responsável apenas pela conversão de frequência. Às vezes, um filtro adicional é instalado na saída do inversor para amortecer as ondas de corrente (muito raramente isso é usado em conversores de baixa potência).De qualquer forma, a saída é tensão trifásica e corrente CA com parâmetros básicos definidos pelo usuário.