Przemienniki częstotliwości jako źródło zasilania o regulowanym napięciu i częstotliwości

Od ponad 50 lat w przemyśle dąży się do zoptymalizowania procesów technologicznych poprzez zapewnienie płynnej regulacji silników napędowych maszyn i urządzeń. W ostatnich kilkunastu latach można zaobserwować intensywny rozwój techniki przekształtnikowej.

Pojawienie się nowych technik sterowania i przekształcania energii jest stymulowane przede wszystkim dynamicznym rozwojem energoelektroniki i techniki mikroprocesorowej. Wraz z ciągłym polepszaniem się parametrów elementów elektronicznych oraz nieustannym polepszaniem technik sterowania i regulacji pojawiają się coraz bardziej zaawansowane urządzenia przekształtnikowe.

Jedną z grup urządzeń przekształcających energię są przemienniki częstotliwości, potocznie zwane falownikami.

Czym jest przemiennik częstotliwości i do czego służy

Najogólniej można powiedzieć, że przemiennik częstotliwości jest urządzeniem elektronicznym, którego zadaniem jest przekształcanie energii prądu przemiennego o stałej amplitudzie napięcia (V=const) i stałej częstotliwości (f=const) na energię o regulowanej do potrzeb zmiennej częstotliwości (f=var) i zmiennej amplitudzie napięcia (V=var). Przemiennik częstotliwości jest urządzeniem służącym do płynnej regulacji prędkości obrotowej silników elektrycznych z zachowaniem jak najlepszych ich parametrów ruchowych.

Zatem zawsze przemiennik częstotliwości będzie rozpatrywany w połączeniu z silnikiem elektrycznym i jego parametrami ruchowymi. Różnica pomiędzy nieregulowanym a regulowanym zasilaniem silnika elektrycznego została zaprezentowana schematycznie na rys. 1. Można powiedzieć również, że przemiennik częstotliwości stanowi szeregowe połączenie konwertera napięcia przemiennego na napięcie stałe (AC/DC) oraz konwertera napięcia stałego na napięcie przemienne (DC/AC).

 
Rys. 1. Schematyczna reprezentacja zamiany stałych parametrów sieci (V,f) na zmienne parametry zasilające silnik

Zastosowanie przemiennika częstotliwości pozwoliło na uzyskanie bardzo dobrych właściwości regulacyjnych silników indukcyjnych, zapewniając przy właściwym sterowaniu uzyskiwanie pełnego momentu silnika przy niskich prędkościach obrotowych. Uzyskano przesunięcie charakterystyki momentu w funkcji prędkości silnika względem osi prędkości, a zatem pracę silnika z pełnym momentem. Idea przesunięcia charakterystyki momentowej silnika została zaprezentowana na rys. 2.

 
Rys. 2. Przesunięcie charakterystyki momentowej silnika w funkcji zmiany częstotliwości zasilania (f=var)

Transformacja energii i powstawanie napięcia wyjściowego

Stosując daleko posunięte uproszczenie, można powiedzieć, że idea powstawania napięcia wyjściowego w przemienniku częstotliwości sprowadza się do właściwego sterowania kluczami tranzystorów wyjściowych (T1-T6). Na rys. 3 przedstawiono schematycznie strukturę przemiennika częstotliwości.

Rys. 3. Uproszczona struktura wewnętrzna członu mocy przemiennika częstotliwości

Napięcie sieci zasilającej poprzez niesterowany mostek prostowniczy zasila człon pośredniczący DC oraz ładuje bufor energii w postaci kondensatora C (+Ug, -Ug). W początkowej fazie prąd ładowania kondensatorów członu DC jest ograniczany przez dodatkową rezystancję Rth.

Po uzyskaniu pełnego naładowania kondensatora C następuje zwarcie dodatkowej rezystancji. Wówczas możliwe jest załączenie tranzystorów kluczujących (T1-T6).

Przełączanie tranzystorów jest obecnie realizowane poprzez mikroprocesorowy system sterowania, którego funkcje zależą od rodzaju, typu i przeznaczenia przemiennika. W efekcie końcowym na wyjściu z przekształtnika częstotliwości otrzymujemy ciągi impulsów prostokątnych, których wartość skuteczna liczona za okres odpowiada sinusoidzie o określonej częstotliwości.

Zmieniając wypełnienie ciągu prostokątów, możemy zmieniać częstotliwość odpowiadającą skutecznej wartości napięcia sinusoidalnego zasilającego silnik. Idea generowania skutecznej wartości jest przedstawiona na rys. 4.

Tworząc wypadkową trzech fazowych ciągów impulsów odpowiadających wartościami skutecznymi sinusoidom trzech faz, otrzymujemy na wyjściu z przemiennika częstotliwości przebieg odpowiadający skutecznej wartości trójfazowego zasilania o zmiennej amplitudzie i częstotliwości. Jednym z parametrów spotykanych w przemiennikach częstotliwości jest tzw. częstotliwość nośna.

Jest to częstotliwość przebiegu trójkątnego, na podstawie którego następuje wygenerowanie przebiegu prostokątnego odpowiadającego załączeniu tranzystorów przekształtnika. W typowych przemiennikach częstotliwość nośna nominalnie wynosi 8kHz i może się zmieniać w dół 4, 2, 1kHz lub w górę 10, 16kHz.

Rys. 4. Przebiegi przedstawiające sposób tworzenia skutecznej wartości napięcia przy zastosowaniu modulacji szerokością impulsów (MSI, ang. Pulse Width Modulation – PWM)

Czytaj więcej o falownikach:

- Klasyfikacja przemienników częstotliwości

- Falowniki: czym kierować się przy zakupie, stan rynku, perspektywy