Vše o frekvenčních měničích

Frekvenční měniče jsou zařízení pro plynulou změnu rychlosti otáčení synchronních a asynchronních motorů změnou frekvence napájecího proudu.

V moderní technice se díky jednoduchosti konstrukce a údržby, malým rozměrům, vysoké spolehlivosti a nízké ceně extrémně rozšířily asynchronní elektromotory.

Při provozu různých zařízení, která používají jako pohony asynchronní elektromotory, je často potřeba regulovat rychlost jejich otáčení.

Na základě vzorce n = (1 – S)60f/p kde n je rychlost otáčení rotoru, S je skluz, f je frekvence napájecí sítě, p je počet pólových párů.

Existují tři způsoby, jak regulovat rychlost otáčení asynchronního motoru:

• — změna ve skluzu. Tato metoda se používá u motorů s vinutým rotorem. Do okruhu vinutého rotoru je zaveden seřizovací reostat. Pomocí této metody můžete získat velký rozsah regulace rychlosti směrem dolů. Tento způsob má však i řadu nevýhod, z nichž hlavní jsou velké ztráty na regulačním reostatu (topení), tzn. snížení účinnosti. V důsledku toho se tato metoda používá ke krátkodobému snížení rychlosti otáčení.
• — změna počtu párů pólů. Tato metoda zahrnuje použití speciálních motorů (vícerychlostních) se složitějším statorovým vinutím, které umožňuje měnit počet pólových párů, a rotoru s veverkou. Nevýhodou tohoto způsobu je stupňovitá regulace (3000, 1500, 1000, 750, 600 ot./min – 1,2,3,4,5 vinutí s 1,2,3,4,5 páry pólů, resp.), vysoká cena resp. objemnost motoru.
• — změna frekvence napájecího proudu (napětí). V praxi tato metoda, v obecném případě (nejjednodušší), zahrnuje změnu efektivní hodnoty dodávaného napětí spolu s frekvencí tak, aby poměr U/f byl konstantní. Toto (změna vstupního napětí) se provádí pro udržení přetížitelnosti motoru při změně frekvence sítě.

U pohonů odstředivých čerpadel a ventilátorů, které jsou typickými představiteli proměnlivého mechanického zatížení (zatěžovací moment roste s rostoucí rychlostí otáčení), se napěťová funkce využívá na druhou mocninu frekvence U/f 2 = konst.

U pokročilejších frekvenčních regulátorů se pro nezávislé řízení rychlosti otáčení a elektromagnetického momentu motoru používá tzv. vektorové řízení. U tohoto typu řízení je nutné v každém časovém okamžiku řídit amplitudu a fázi statorového proudu (tj. vektoru) v závislosti na poloze rotoru vůči vinutí statoru.

Aplikace frekvenčních regulátorů. Proč potřebujete regulátor frekvence?
Asynchronní motory mají řadu nevýhod (obtížná regulace rychlosti otáčení, velké rozběhové proudy, relativně nízký rozběhový moment). Pro svou jednoduchost, spolehlivost a nízkou cenu se však extrémně rozšířily v průmyslu i každodenním životě. Použití frekvenčních regulátorů „odstraňuje“ nevýhody asynchronních motorů a navíc umožňuje vyhnout se instalaci různých přídavných zařízení, snížit ztráty v technologickém procesu, zvýšit účinnost samotného motoru a snížit opotřebení motoru. jak samotný motor, tak i zařízení použité v tomto technologickém procesu.

Podívejme se podrobněji na příklad použití frekvenčních regulátorů využívajících čerpací zařízení. Ztráty v technologickém systému závisí na zatížení vytvářeném spotřebiči (nemůžeme ovlivnit) a hydraulickém odporu prvků tohoto systému. Udržování tlaku u spotřebitelů na konstantní úrovni s měnícím se zatížením je tedy možné pouze s použitím přídavných zařízení (různé regulátory tlaku, membránové nádrže, škrticí ventily). Použití tohoto zařízení vytváří dodatečný hydraulický odpor a v důsledku toho snižuje účinnost systému jako celku. Při použití frekvenčního regulátoru si motor sám reguluje tlak v síti změnou rychlosti otáčení. Navíc, jak se snižuje procesní zatížení a rychlost čerpadla, zvyšuje se i účinnost samotného čerpadla. Tímto způsobem je dosaženo dvojího účinku, zvýšení účinnosti systému jako celku, v důsledku vyloučení nadměrného hydraulického odporu ze systému a zvýšení účinnosti samotného čerpadla jako celku.

Použití frekvenčního regulátoru také výrazně snižuje provozní náklady spojené s opotřebením zařízení. Plynulé ovládání otáčení (a pozvolný start) téměř zcela zamezuje jak vodním rázům, tak rázům energie (obzvláště důležité v systémech, kde je zajištěno časté spouštění/zastavování čerpadla).

Úprava rychlosti změnou napětí snižuje točivý moment a také zvyšuje ztrátu výkonu. Nastavení rychlosti otáčení změnou počtu pólů se navíc provádí v krocích, tato metoda je vhodná pouze pro speciální vícerychlostní motory s několika vinutími stacionární části.

Asynchronní motor je nejrozšířenějším elektrickým pohonem technologických zařízení. Hlavním rysem takových elektrických strojů je konstantní rychlost otáčení hřídele. Jeho úprava se provádí:

• Mechanicky. K tomu je hřídel připojena k převodovkám, spojkám a dalším zařízením.
• Změnou počtu pólových párů, velikosti nebo frekvence napájecího napětí do vinutí statoru.

Mechanická regulace komplikuje kinematické schéma elektrického pohonu, což vede ke ztrátám výkonu a iracionální spotřebě energie.

Nejslibnější metodou pro regulaci úhlové rychlosti rotoru je převod frekvence napájecího napětí. Tato metoda zajišťuje zachování mechanických vlastností v celém rozsahu a má řadu dalších výhod.

Konstrukce a princip činnosti regulátoru frekvence

Princip regulace frekvence je založen na závislosti úhlové rychlosti otáčení rotoru na frekvenci napětí na vinutí statoru. S příchodem IGBT tranzistorů a GTO tyristorů se nejvíce rozšířil obvod frekvenční konverze na bázi pulzně šířkového modulátoru.

Takové frekvenční měniče se skládají z:

• Od výkonového usměrňovače s C nebo LC filtrem k vyhlazení vlnění.
• Z invertoru pomocí IGBT tranzistorů převádí stejnosměrné napětí na střídavé napětí dané frekvence a amplitudy.
• Z řídicí jednotky generuje impulsy, které odemykají výkonové tranzistory.

Střídavé napětí je usměrněno a převedeno na stejnosměrné a poté zpět na střídavé. Frekvence na výstupním výkonu měniče je určena dobou trvání impulsů, které odblokují výkonové tranzistory přicházející z řídicího obvodu.

Tento způsob řízení umožňuje měnit frekvenci a amplitudu napětí ve výkonovém obvodu elektromotoru, a tím řídit rychlost otáčení rotoru a točivý moment na hřídeli elektrického stroje.

Struktura frekvenčního regulátoru

Většina frekvenčních měničů pro elektromotory do 690 V je navržena podle schématu dvouúrovňových napěťových měničů. Umožňují simulovat napájecí napětí požadovaného tvaru a frekvenční amplitudy. Taková zařízení se skládají z neřízeného usměrňovače, 2 tranzistorových spínačů na fázi a kondenzátoru. Výstupní napětí obsahuje vyšší harmonické, které jsou vyrovnány indukční zátěží. Speciální filtry se používají poměrně zřídka.

Nevýhodou takového obvodu je omezení výstupního napětí, které je určeno maximálním napětím polovodičových součástek.

U vysokonapěťových pohonů se používají víceúrovňová schémata řízení. Skládají se z několika jednofázových měničů zapojených do série. Tento obvod zabraňuje rezonancím, poskytuje vysoký výkon a snižuje rychlost nárůstu napětí. Takové měniče mají modulární konstrukci. Pokud jeden z článků selže, je snadné jej vyměnit. Nevýhody tohoto schématu zahrnují potřebu samostatného zdroje energie pro každý modul, jehož funkce jsou prováděny speciálním transformátorem.

Frekvenční měniče s plovoucími kondenzátory umožňují obejít se bez vstupního transformátoru a zvýšit počet článků v závislosti na požadovaném výkonu. Toto řešení zajišťuje snížení vyšších harmonických a snižuje rychlost nárůstu napětí.

Pro regulaci otáček elektromotorů s přerušovaným chodem a častými zpětnými chody se používají proudové měniče. Tato zařízení jsou řízený usměrňovač a střídač využívající tyristory. Pro snížení šumu v zátěžovém obvodu je součástí obvodu dělený indukční filtr. Výstupní napětí takových zařízení má tvar přibližné sinusoidy. Pro vyhlazení jeho tvaru je nutné zařadit před elektromotor kondenzátory. Hlavní výhodou takových střídačů je schopnost rekuperace elektřiny zpět do elektrické sítě.

Přímé frekvenční měniče neobsahují kondenzátory. Jejich hlavní výhodou jsou malé rozměry a značná zátěž. Taková zařízení se používají jako součást výkonných elektrických pohonů pracujících při nízkých rychlostech. Měniče tohoto typu jsou vyrobeny na bázi tyristorových měničů. Na vstupu přímých měničů je instalován transformátor s fázovým posunem, který eliminuje nižší harmonické a funguje jako zdroj energie pro každý měnič. Přímé měniče vyžadují složitý řídicí obvod.

Složení frekvenčních měničů

Kromě usměrňovače, modulátoru PWM a měniče obsahuje měnič kmitočtu:

Zařízení pro zadávání dat a výměnu informací s PC a dalšími frekvenčními měniči.

• Vestavěná energeticky nezávislá paměť. Toto zařízení zaznamenává nouzová vypnutí, změny nastavení a další data.
• Řídicí kontrolér, který zajišťuje implementaci řídicích algoritmů, zpracování dat ze senzorů a ochranné vypnutí při abnormálních provozních podmínkách.
• EM filtr. Toto zařízení snižuje reaktivní vysokofrekvenční složku, která snižuje kvalitu elektrické energie a negativně ovlivňuje chod elektromotoru.
• Ventilátor a chladič pro nucené chlazení a odvod tepla výkonových tranzistorů.
• Brzdový chopper a další prvky.

Frekvenční měniče obsahují kromě hardwaru i software. Řadiče s otevřenou logikou umožňují provádět změny ve standardním softwaru dodávaném výrobcem a programovat měnič sami.

Jednofázové frekvenční měniče

Jednofázové asynchronní elektromotory jsou široce používány jako pohony čerpacích jednotek, ventilátorů a obráběcích strojů s nízkým výkonem. K regulaci rychlosti otáčení těchto elektrických strojů se používají 2 hlavní metody:

• Změna napájecího napětí.
• Změna frekvence napájecího napětí.

K regulaci napájecího napětí se používají transformátorové, autotransformátorové, tyristorové, triakové a tranzistorové měniče. Změna rychlosti otáčení regulací napětí má řadu vážných nevýhod:

• Zvýšený prokluz a silné zahřívání vinutí statoru.
• Úzký rozsah ovládání.

Stálá složka napájecího napětí na výstupu tyristorových a triakových zařízení navíc způsobuje nárůst hluku při provozu, škubání a další nežádoucí jevy.

Regulace frekvence tyto nevýhody nemá. Jednofázové měniče se používají v chladicích zařízeních, ventilačních systémech a domácích čerpadlech.

Takové elektrické pohony poskytují:

• Stabilní provoz jednofázového motoru při jakékoli rychlosti.
• Snížená spotřeba elektřiny.
• Schopnost automaticky upravovat rychlost otáčení se zpětnou vazbou na základě změn jednoho nebo více parametrů procesu.
• Dálkové ovládání a sledování výkonu.
• Ochrana proti abnormálním provozním podmínkám a zkratům.
• Inteligentní řízení elektromotoru v souladu s daným algoritmem.
• Možnost startu bez prvku fázového posunu.
• Udržení požadovaného krouticího momentu na hřídeli v celém rozsahu otáček.

Jednofázový frekvenční měnič obsahuje kromě základních komponent PID regulátor, PLC regulátor, zařízení pro výměnu dat se vzdáleným zařízením a dálkový ovladač. Při zavádění dalších nastavení je přípustné použít třífázový měnič pro jednofázové střídavé motory.

Řízení jednofázových a třífázových asynchronních elektromotorů změnou frekvence tak výrazně předčí způsob regulace hodnoty napětí a mechanické způsoby.