Tipus de convertidors de freqüència

Els dispositius anomenats convertidors de freqüència s'utilitzen per convertir la tensió CA de la xarxa amb una freqüència industrial de 50/60 Hz en una tensió CA d'una freqüència diferent. La freqüència de sortida del convertidor de freqüència pot variar àmpliament, normalment de 0,5 a 400 Hz. Les freqüències més altes són inacceptables per als motors moderns a causa de la naturalesa dels materials dels quals estan fets els nuclis de l'estator i el rotor.

Qualsevol tipus convertidor de freqüència inclou dues parts principals: control i font d'alimentació. La part de control és un circuit d'un microcircuit digital que proporciona el control dels interruptors de la unitat de potència, i també serveix per controlar, diagnosticar i protegir l'accionament accionat i el propi convertidor.

La secció d'alimentació inclou directament els interruptors: potents transistors o tiristors. En aquest cas, els convertidors de freqüència són de dos tipus: amb una secció destacada de corrent continu o amb comunicació directa. Els convertidors d'acoblament directe tenen una eficiència de fins al 98% i poden funcionar amb tensions i corrents importants.En general, cadascun dels dos tipus de convertidors de freqüència esmentats té avantatges i desavantatges individuals, i pot ser racional aplicar un o l'altre per a diferents aplicacions.

Comunicació directa

Els convertidors de freqüència amb connexió galvànica directa van ser els primers a aparèixer al mercat, la seva secció de potència és un rectificador de tiristor controlat, en el qual s'obren al seu torn determinats grups de tiristors de bloqueig i els bobinatges de l'estator es connecten al seu torn a la xarxa. Això significa que finalment la tensió subministrada a l'estator té la forma de peces d'ona sinusoïdal de la xarxa que s'alimenten en sèrie als bobinatges.

La tensió sinusoïdal es converteix en una tensió de dent de serra a la sortida. La freqüència és inferior a la de la xarxa elèctrica: de 0,5 a uns 40 Hz. Evidentment, el rang d'aquest tipus de convertidor és limitat. Els tiristors sense bloqueig requereixen esquemes de control més complexos, la qual cosa augmenta el cost d'aquests dispositius.

Parts de l'ona sinusoïdal de sortida generen harmònics més alts, i es tracta de pèrdues addicionals i sobreescalfament del motor amb una disminució del parell de l'eix, a més, no entren pertorbacions febles a la xarxa. Si s'utilitzen dispositius compensadors, els costos augmenten de nou, les dimensions i el pes augmenten i l'eficiència del convertidor disminueix.

Els avantatges dels convertidors de freqüència amb acoblament galvànic directe inclouen:

• la possibilitat de funcionament continu amb tensions i corrents importants;
• resistència a la sobrecàrrega d'impuls;
• Eficiència fins al 98%;
• aplicabilitat en circuits d'alta tensió de 3 a 10 kV i fins i tot superiors.

En aquest cas, els convertidors de freqüència d'alta tensió són, per descomptat, més cars que els de baixa tensió. Anteriorment, s'utilitzaven on calia, és a dir, convertidors de tiristors d'acoblament directe.

Amb connexió de CC destacada

Per als accionaments moderns, els convertidors de freqüència amb un bloc de CC destacat s'utilitzen més àmpliament per a la regulació de freqüència. Aquí, la conversió es fa en dos passos. En primer lloc, es rectifica i filtra la tensió de la xarxa d'entrada, es suavitza i després s'alimenta a l'inversor, on es converteix en corrent altern amb la freqüència i tensió necessària amb l'amplitud requerida.

L'eficiència d'aquesta doble conversió disminueix i les dimensions del dispositiu són lleugerament més grans que les dels convertidors amb connexió elèctrica directa. L'ona sinusoïdal es genera aquí per un inversor de corrent i tensió autònom.

En convertidors de freqüència d'enllaç DC, tiristors de bloqueig o Transistors IGBT… Els tiristors de bloqueig es van utilitzar principalment en els primers convertidors de freqüència fabricats d'aquest tipus, després, amb l'aparició dels transistors IGBT al mercat, van ser els convertidors basats en aquests transistors els que van començar a dominar entre els dispositius de baixa tensió.

Per encendre el tiristor, n'hi ha prou amb un pols curt aplicat a l'elèctrode de control, i per apagar-lo, cal aplicar una tensió inversa al tiristor o restablir el corrent de commutació a zero. Es requereix un esquema de control especial: complex i dimensional. Els transistors IGBT bipolars tenen un control més flexible, un menor consum d'energia i una velocitat força alta.

Per aquest motiu, els convertidors de freqüència basats en transistors IGBT han permès ampliar el rang de velocitats de control d'accionament: els motors de control vectorial asíncron basats en transistors IGBT poden funcionar amb seguretat a baixes velocitats sense necessitat de sensors de retroalimentació.

Els microprocessadors acoblats amb transistors d'alta velocitat produeixen menys harmònics més alts a la sortida que els convertidors de tiristors. Com a resultat, les pèrdues resulten ser més petites, els bobinatges i el circuit magnètic s'escalfen menys, es redueixen les pulsacions del rotor a baixes freqüències. Menys pèrdues en bancs de condensadors, en transformadors: la vida útil d'aquests elements augmenta. Hi ha menys errors a la feina.

Si comparem un convertidor de tiristors amb un convertidor de transistors amb la mateixa potència de sortida, el segon pesarà menys, tindrà una mida més petita i el seu funcionament serà més fiable i uniforme. El disseny modular dels interruptors IGBT permet una dissipació de calor més eficient i requereix menys espai per al muntatge d'elements de potència, a més, els interruptors modulars estan millor protegits de sobretensions de commutació, és a dir, la probabilitat de danys és menor.

Els convertidors de freqüència basats en IGBT són més cars perquè els mòduls de potència són components electrònics complexos de fabricar. No obstant això, el preu es justifica per la qualitat. Al mateix temps, les estadístiques mostren una tendència a disminuir els preus dels transistors IGBT cada any.

El principi de funcionament del convertidor de freqüència IGBT

La figura mostra un esquema d'un convertidor de freqüència i gràfics de corrents i tensions de cadascun dels elements. La tensió de xarxa d'amplitud i freqüència constants s'alimenta al rectificador, que es pot controlar o no. Després del rectificador hi ha un condensador: un filtre capacitiu. Aquests dos elements, un rectificador i un condensador, formen una unitat de corrent continu.

Des del filtre, ara es subministra una tensió constant a un inversor de pols autònom en el qual funcionen els transistors IGBT. El diagrama mostra una solució típica per als convertidors de freqüència moderns. La tensió directa es converteix en un pols trifàsic amb freqüència i amplitud ajustables.

El sistema de control dóna senyals puntuals a cadascuna de les tecles i les bobines corresponents es canvien seqüencialment a la connexió permanent. En aquest cas, la durada de la connexió de les bobines a la connexió es modula a sinus. Per tant, a la part central del mig període, l'amplada del pols és la més gran i a les vores la més petita. Està passant aquí tensió de modulació d'amplada de pols als bobinats de l'estator del motor. La freqüència de PWM sol arribar als 15 kHz i les bobines funcionen com a filtre inductiu, de manera que els corrents que les travessen són gairebé sinusoïdals.

Si el rectificador es controla a l'entrada, el canvi d'amplitud es fa controlant el rectificador i l'inversor només és responsable de la conversió de freqüència. De vegades s'instal·la un filtre addicional a la sortida de l'inversor per amortir les ones de corrent (molt poques vegades s'utilitza en convertidors de baixa potència).De qualsevol manera, la sortida és tensió trifàsica i corrent alterna amb paràmetres bàsics definits per l'usuari.