Tipi di convertitori di frequenza

Dei dispositivi chiamati convertitori di frequenza sono utilizzati per convertire la tensione alternata di rete con frequenza industriale di 50/60 Hz in tensione alternata di diversa frequenza. La frequenza di uscita del convertitore di frequenza può variare ampiamente, tipicamente da 0,5 a 400 Hz. Frequenze più elevate sono inaccettabili per i motori moderni a causa della natura dei materiali con cui sono realizzati i nuclei dello statore e del rotore.

Qualsiasi tipo convertitore di frequenza comprende due parti principali: controllo e alimentazione. La parte di controllo è un circuito di un microcircuito digitale che fornisce il controllo degli interruttori dell'unità di potenza e serve anche per controllare, diagnosticare e proteggere l'azionamento guidato e il convertitore stesso.

La sezione di alimentazione include direttamente gli interruttori: potenti transistor o tiristori. In questo caso i convertitori di frequenza sono di due tipi: con tratto di corrente continua evidenziato o con comunicazione diretta. I convertitori ad accoppiamento diretto hanno un'efficienza fino al 98% e possono funzionare con tensioni e correnti significative.In generale, ciascuno dei due tipi di convertitori di frequenza menzionati presenta vantaggi e svantaggi individuali e può essere razionale applicare l'uno o l'altro per applicazioni diverse.

Comunicazione diretta

I convertitori di frequenza con connessione galvanica diretta sono stati i primi ad apparire sul mercato, la loro sezione di potenza è un raddrizzatore a tiristori controllato, in cui alcuni gruppi di tiristori di blocco vengono aperti a turno e gli avvolgimenti dello statore sono collegati a loro volta alla rete. Ciò significa che alla fine la tensione fornita allo statore è modellata come pezzi di un'onda sinusoidale di rete che vengono alimentati in serie agli avvolgimenti.

La tensione sinusoidale viene convertita in una tensione a dente di sega in uscita. La frequenza è inferiore a quella di rete — da 0,5 a circa 40 Hz. Ovviamente la portata di questo tipo di convertitore è limitata. I tiristori non bloccanti richiedono schemi di controllo più complessi, il che aumenta il costo di questi dispositivi.

Parti dell'onda sinusoidale in uscita generano armoniche più elevate e si tratta di perdite aggiuntive e surriscaldamento del motore con una diminuzione della coppia dell'albero, inoltre, non entrano disturbi deboli nella rete. Se vengono utilizzati dispositivi di compensazione, i costi aumentano nuovamente, le dimensioni e il peso aumentano e l'efficienza del convertitore diminuisce.

I vantaggi dei convertitori di frequenza con accoppiamento galvanico diretto includono:

• la possibilità di funzionamento continuo con tensioni e correnti significative;
• resistenza al sovraccarico impulsivo;
• Efficienza fino al 98%;
• applicabilità in circuiti ad alta tensione da 3 a 10 kV e anche superiori.

In questo caso, i convertitori di frequenza ad alta tensione sono, ovviamente, più costosi di quelli a bassa tensione. In precedenza, venivano utilizzati dove necessario, vale a dire convertitori a tiristori ad accoppiamento diretto.

Con connessione CC evidenziata

Per gli azionamenti moderni, i convertitori di frequenza con un blocco CC evidenziato sono più ampiamente utilizzati per scopi di regolazione della frequenza. Qui, la conversione viene eseguita in due passaggi. Innanzitutto, la tensione di rete in ingresso viene rettificata e filtrata, livellata, quindi inviata all'inverter, dove viene convertita in corrente alternata con la frequenza e la tensione richieste con l'ampiezza richiesta.

L'efficienza di tale doppia conversione diminuisce e le dimensioni del dispositivo diventano leggermente superiori a quelle dei convertitori con connessione elettrica diretta. L'onda sinusoidale viene generata qui da un inverter autonomo di corrente e tensione.

Nei convertitori di frequenza del collegamento CC, tiristori a ritenuta o Transistor IGBT… I tiristori di blocco sono stati utilizzati principalmente nei primi convertitori di frequenza prodotti di questo tipo, quindi, con la comparsa sul mercato dei transistor IGBT, sono stati i convertitori basati su questi transistor che hanno iniziato a dominare tra i dispositivi a bassa tensione.

Per accendere il tiristore è sufficiente un breve impulso applicato all'elettrodo di controllo e per spegnerlo è necessario applicare una tensione inversa al tiristore o azzerare la corrente di commutazione. È richiesto uno schema di controllo speciale, complesso e dimensionale. I transistor IGBT bipolari hanno un controllo più flessibile, un consumo energetico inferiore e una velocità piuttosto elevata.

Per questo motivo, i convertitori di frequenza basati su transistor IGBT hanno permesso di estendere la gamma di velocità di controllo dell'azionamento: i motori a controllo vettoriale asincrono basati su transistor IGBT possono funzionare in sicurezza a basse velocità senza la necessità di sensori di retroazione.

I microprocessori accoppiati a transistor ad alta velocità producono meno armoniche superiori in uscita rispetto ai convertitori a tiristori. Di conseguenza, le perdite risultano inferiori, gli avvolgimenti e il circuito magnetico si surriscaldano meno, le pulsazioni del rotore alle basse frequenze si riducono. Meno perdite nei banchi di condensatori, nei trasformatori: la durata di questi elementi aumenta. Ci sono meno errori sul lavoro.

Se confrontiamo un convertitore a tiristori con un convertitore a transistor con la stessa potenza di uscita, il secondo peserà meno, avrà dimensioni inferiori e il suo funzionamento sarà più affidabile e uniforme. Il design modulare degli interruttori IGBT consente una dissipazione del calore più efficiente e richiede meno spazio per il montaggio degli elementi di potenza, inoltre, gli interruttori modulari sono meglio protetti dalle sovratensioni di commutazione, ovvero la probabilità di danni è inferiore.

I convertitori di frequenza basati su IGBT sono più costosi perché i moduli di potenza sono componenti elettronici complessi da produrre. Tuttavia, il prezzo è giustificato dalla qualità. Allo stesso tempo, le statistiche mostrano una tendenza a diminuire ogni anno i prezzi dei transistor IGBT.

Il principio di funzionamento del convertitore di frequenza IGBT

La figura mostra un diagramma di un convertitore di frequenza e grafici di correnti e tensioni di ciascuno degli elementi. La tensione di rete di ampiezza e frequenza costanti viene alimentata al raddrizzatore, che può essere controllato o non controllato. Dopo il raddrizzatore c'è un condensatore: un filtro capacitivo. Questi due elementi, un raddrizzatore e un condensatore, formano un'unità CC.

Dal filtro viene ora fornita una tensione costante a un inverter a impulsi autonomo in cui funzionano i transistor IGBT. Il diagramma mostra una soluzione tipica per i moderni convertitori di frequenza. La tensione continua viene convertita in un impulso trifase con frequenza e ampiezza regolabili.

Il sistema di controllo invia segnali tempestivi a ciascuna delle chiavi e le bobine corrispondenti vengono commutate in sequenza sulla connessione permanente. In questo caso, la durata della connessione delle bobine alla connessione è modulata in seno. Quindi, nella parte centrale del semiperiodo, la larghezza dell'impulso è la più grande, e ai bordi - la più piccola. Sta succedendo qui tensione di modulazione di larghezza di impulso sugli avvolgimenti dello statore del motore. La frequenza del PWM di solito raggiunge i 15 kHz e le bobine stesse funzionano come un filtro induttivo, per cui le correnti che le attraversano sono quasi sinusoidali.

Se il raddrizzatore è controllato all'ingresso, la modifica dell'ampiezza viene eseguita controllando il raddrizzatore e l'inverter è responsabile solo della conversione di frequenza. A volte viene installato un filtro aggiuntivo all'uscita dell'inverter per smorzare le onde di corrente (molto raramente viene utilizzato nei convertitori a bassa potenza).In entrambi i casi, l'uscita è tensione trifase e corrente CA con parametri di base definiti dall'utente.