Základy frekvenčního měniče

Pro dosažení vysoké účinnosti, velké ovladatelnosti a úspor energie v průmyslových aplikacích souvisejících s indukčním motorem je nutné přijmout regulovatelné systémy frekvenčního měniče. Systém frekvenčního měniče je v současné době střídavý motor napájený statickým frekvenčním měničem. Moderní frekvenční měnič funguje skvěle pro aplikace s AC motorem a snadnou instalaci. Jeden důležitý problém je však způsoben nesinusovým výstupním napětím. Tento faktor způsobil mnoho nežádoucích problémů. Zvýšené ztráty indukčních motorů, hluk a vibrace, škodlivý vliv na indukční izolační systém a selhání ložisek jsou příklady problémů souvisejících s frekvenčním měničem. Zvýšené indukční ztráty znamenají snížení výkonu indukčního výstupu, aby se zabránilo přehřátí. Měření v laboratoři ukazuje, že nárůst teploty může být o 40% vyšší s frekvenčním měničem ve srovnání s běžnými napájecími zdroji. Průběžný výzkum a zdokonalování měničů kmitočtu vyřešil mnohé z těchto problémů. Bohužel, zdá se, že řešení jednoho problému akcentovalo další. Snížení ztrát indukčního a frekvenčního měniče má tendenci zvyšovat škodlivý vliv na izolaci. Indukční výrobci si to samozřejmě uvědomují. Na trhu se začínají objevovat nové indukční konstrukce (motory s invertorem). Lepší izolace vinutí statoru a další konstrukční zlepšení zajišťují, že indukční motory budou lépe přizpůsobeny pro aplikace s frekvenčním měničem.

Úvod
Jedním z nejzávažnějších problémů indukčního motoru bylo, že je obtížné jej přizpůsobit nastavení rychlosti. Synchronní rychlost střídavého motoru je určena následující rovnicí.

ns = 120 * f / p

ns = synchronní rychlost
f = frekvence síťové sítě
p = číslo pólu

Jediný způsob, jak nastavit rychlost, pro dané číslo pole je změna frekvence.

Základní princip
Teoreticky je základní myšlenka jednoduchá, proces transformace stabilní frekvencí vedení na proměnnou frekvenci je v podstatě prováděn ve dvou krocích:

Zdroj střídavého proudu je usměrněn do stejnosměrného napětí.
Stejnosměrné napětí je rozříznuto na střídavé napětí požadované frekvence.

Měnič kmitočtu se v podstatě skládá ze tří bloků: usměrňovače, stejnosměrného vedení a střídače.
Základní blokové schéma frekvenčního měniče

Různé typy frekvenčních měničů
PWM měnič napětí (VSI)
PWM (Pulse Width Modulation) je široce používán v průmyslu frekvenčních měničů. Jsou k dispozici od několika set wattů až po megawatty.
Obvod měniče napětí

Převodník PWM nemusí přesně odpovídat zátěži, stačí se ujistit, že zátěž nespotřebovává proud vyšší než je jmenovitý převodník PWM. Je možné provozovat indukci 20 kW s převodníkem 100 kW PWM. To je velká výhoda, která usnadňuje aplikaci.

V současné době používá měnič kmitočtu PWM Insulated Gate Bipolar Translator (IGBT). Moderní frekvenční měniče PWM fungují velmi dobře a nejsou daleko za konstrukcemi používajícími sinusový zdroj energie – alespoň ne v rozsahu výkonu do 100 kW.

Střídač proudového zdroje (CSI)
Střídač s proudovým zdrojem je ve srovnání s PWM hrubý a poměrně jednoduchý. Používá jednoduché tyristory nebo SCR v napájecích obvodech, což z něj činí mnohem levnější. Rovněž má prospěch z toho, že je velmi spolehlivý. Konstrukce je odolná proti zkratu díky velkým induktorům v meziobvodu. Je objemnější než PWM.
Obvod měniče proudu

Dříve byl současný zdrojový měnič nejlepší volbou pro velká zatížení. Nevýhodou měniče aktuálního zdroje je nutnost přizpůsobení zátěži. Měnič kmitočtu musí být navržen pro použitý indukční motor. Vlastně indukce je součástí obráceného obvodu.

Střídač proudu dodává indukční motor čtvercovým proudem. Při nízkých otáčkách indukuje indukční točivý moment. Tento typ frekvenčního měniče bude generovat více šumu na zdroji napájení ve srovnání s převodníkem PWM. Filtrování je nezbytné.

Těžké napěťové přechody ve výstupním napětí jsou další nevýhodou měniče proudu. Přechody mohou v nejhorších případech dosáhnout téměř dvojnásobku jmenovitého napětí. Existuje také riziko, že izolace vinutí bude předčasně opotřebována, pokud bude tento měnič kmitočtu používán. Tento efekt je nejzávažnější, když zátěž neodpovídá správně měniči kmitočtu. To může nastat při běžícím zatížení. Tento druh frekvenčního měniče ztrácí svou popularitu stále více.