ประเภทของตัวแปลงความถี่

อุปกรณ์ที่เรียกว่าตัวแปลงความถี่ใช้เพื่อแปลงแรงดันไฟ AC หลักที่มีความถี่อุตสาหกรรม 50/60 Hz เป็นแรงดันไฟ AC ที่มีความถี่ต่างกัน ความถี่เอาต์พุทของตัวแปลงความถี่อาจแตกต่างกันมาก โดยทั่วไปตั้งแต่ 0.5 ถึง 400 เฮิรตซ์ ความถี่ที่สูงขึ้นเป็นสิ่งที่ยอมรับไม่ได้สำหรับมอเตอร์สมัยใหม่ เนื่องจากธรรมชาติของวัสดุที่ใช้ทำแกนสเตเตอร์และโรเตอร์

ชนิดใด ๆ ตัวแปลงความถี่ รวมสองส่วนหลัก: การควบคุมและแหล่งจ่ายไฟ ส่วนควบคุมเป็นวงจรของไมโครวงจรดิจิทัลที่ให้การควบคุมสวิตช์ของชุดจ่ายไฟและยังทำหน้าที่ควบคุมวินิจฉัยและป้องกันไดรฟ์ที่ขับเคลื่อนและตัวแปลง

ส่วนแหล่งจ่ายไฟรวมถึงสวิตช์โดยตรง - ทรานซิสเตอร์หรือไทริสเตอร์ที่ทรงพลัง ในกรณีนี้ ตัวแปลงความถี่มีสองประเภท: โดยมีส่วนที่เน้นเป็นกระแสตรงหรือด้วยการสื่อสารโดยตรง ตัวแปลงคู่โดยตรงมีประสิทธิภาพสูงถึง 98% และสามารถทำงานได้กับแรงดันและกระแสที่มีนัยสำคัญโดยทั่วไป ตัวแปลงความถี่แต่ละประเภทจากสองประเภทที่กล่าวถึงมีข้อดีและข้อเสียที่แตกต่างกันไป และอาจมีเหตุผลที่จะใช้อย่างใดอย่างหนึ่งสำหรับการใช้งานที่แตกต่างกัน

การสื่อสารโดยตรง

ตัวแปลงความถี่ที่มีการเชื่อมต่อด้วยไฟฟ้าโดยตรงเป็นตัวแรกที่ปรากฏในตลาด ส่วนพลังงานของพวกเขาคือวงจรเรียงกระแสไทริสเตอร์แบบควบคุม ซึ่งไทริสเตอร์ล็อคบางกลุ่มจะเปิดขึ้นตามลำดับ และขดลวดสเตเตอร์เชื่อมต่อกับเครือข่าย ซึ่งหมายความว่าในที่สุดแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับสเตเตอร์จะมีรูปร่างเป็นชิ้นส่วนของคลื่นไซน์หลักซึ่งถูกป้อนเป็นชุดไปยังขดลวด

แรงดันไซน์จะถูกแปลงเป็นแรงดันฟันเลื่อยที่เอาต์พุต ความถี่ต่ำกว่าไฟหลัก - จาก 0.5 ถึงประมาณ 40 Hz แน่นอนว่าช่วงของตัวแปลงประเภทนี้มีจำกัด ไทริสเตอร์แบบไม่ล็อคต้องใช้รูปแบบการควบคุมที่ซับซ้อนมากขึ้น ซึ่งจะเป็นการเพิ่มต้นทุนของอุปกรณ์เหล่านี้

บางส่วนของคลื่นไซน์เอาท์พุตสร้างฮาร์มอนิกที่สูงขึ้นและสิ่งเหล่านี้คือการสูญเสียเพิ่มเติมและความร้อนสูงเกินไปของมอเตอร์พร้อมกับแรงบิดของเพลาที่ลดลง นอกจากนี้ยังไม่มีการรบกวนที่อ่อนแอเข้าสู่เครือข่าย หากใช้อุปกรณ์ชดเชย ค่าใช้จ่ายจะเพิ่มขึ้น ขนาดและน้ำหนักเพิ่มขึ้น และประสิทธิภาพของคอนเวอร์เตอร์จะลดลงอีกครั้ง

ข้อดีของตัวแปลงความถี่ที่มีข้อต่อแบบกัลวานิกโดยตรง ได้แก่:

• ความเป็นไปได้ของการทำงานต่อเนื่องกับแรงดันและกระแสที่มีนัยสำคัญ
• ความต้านทานแรงกระตุ้นเกินพิกัด;
• ประสิทธิภาพสูงถึง 98%;
• การบังคับใช้ในวงจรไฟฟ้าแรงสูงตั้งแต่ 3 ถึง 10 kV และสูงกว่านั้น

ในกรณีนี้ตัวแปลงความถี่ไฟฟ้าแรงสูงมีราคาแพงกว่าตัวแปลงความถี่ต่ำ ก่อนหน้านี้ พวกมันถูกใช้เมื่อจำเป็น เช่น ตัวแปลงไทริสเตอร์แบบคู่โดยตรง

โดยเน้นการเชื่อมต่อ DC

สำหรับไดรฟ์สมัยใหม่ ตัวแปลงความถี่ที่มีบล็อก DC ที่เน้นไว้จะใช้กันอย่างแพร่หลายมากขึ้นสำหรับวัตถุประสงค์ในการควบคุมความถี่ ที่นี่ การแปลงเสร็จสิ้นในสองขั้นตอน ขั้นแรก แรงดันไฟเมนอินพุตจะถูกแก้ไขและกรอง ปรับให้เรียบ จากนั้นป้อนเข้าอินเวอร์เตอร์ ซึ่งจะถูกแปลงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับด้วยความถี่ที่ต้องการและแรงดันที่มีแอมพลิจูดที่ต้องการ

ประสิทธิภาพของการแปลงสองครั้งดังกล่าวลดลงและขนาดของอุปกรณ์จะใหญ่กว่าตัวแปลงที่มีการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าโดยตรงเล็กน้อย คลื่นไซน์ถูกสร้างขึ้นที่นี่โดยเครื่องแปลงกระแสและแรงดันอัตโนมัติ

ในตัวแปลงความถี่ดีซีลิงค์ ไทริสเตอร์แลทช์หรือ IGBT ทรานซิสเตอร์… ไทริสเตอร์แบบล็อคส่วนใหญ่จะใช้ในตัวแปลงความถี่ประเภทนี้ที่ผลิตขึ้นเป็นครั้งแรก จากนั้นด้วยรูปลักษณ์ของทรานซิสเตอร์ IGBT ในตลาด ตัวแปลงที่ใช้ทรานซิสเตอร์เหล่านี้จึงเริ่มมีอิทธิพลเหนืออุปกรณ์แรงดันต่ำ

ในการเปิดไทริสเตอร์ ชีพจรสั้นที่ใช้กับอิเล็กโทรดควบคุมก็เพียงพอแล้ว และหากต้องการปิด จำเป็นต้องใช้แรงดันย้อนกลับกับไทริสเตอร์หรือรีเซ็ตกระแสสลับเป็นศูนย์ จำเป็นต้องมีรูปแบบการควบคุมพิเศษ — ซับซ้อนและมีมิติ ทรานซิสเตอร์สองขั้ว IGBT มีการควบคุมที่ยืดหยุ่นมากขึ้น ใช้พลังงานน้อยลง และความเร็วค่อนข้างสูง

ด้วยเหตุนี้ ตัวแปลงความถี่ที่ใช้ทรานซิสเตอร์ IGBT ทำให้สามารถขยายขอบเขตของความเร็วในการควบคุมไดรฟ์ได้: มอเตอร์ควบคุมเวคเตอร์แบบอะซิงโครนัสที่ใช้ทรานซิสเตอร์ IGBT สามารถทำงานได้อย่างปลอดภัยที่ความเร็วต่ำโดยไม่จำเป็นต้องใช้เซ็นเซอร์ป้อนกลับ

ไมโครโปรเซสเซอร์ที่จับคู่กับทรานซิสเตอร์ความเร็วสูงจะสร้างฮาร์มอนิกที่เอาต์พุตน้อยกว่าไทริสเตอร์คอนเวอร์เตอร์ เป็นผลให้การสูญเสียมีขนาดเล็กลง ขดลวดและวงจรแม่เหล็กร้อนมากเกินไปน้อยลง การเต้นของโรเตอร์ที่ความถี่ต่ำจะลดลง การสูญเสียน้อยลงในธนาคารตัวเก็บประจุในหม้อแปลง - อายุการใช้งานขององค์ประกอบเหล่านี้เพิ่มขึ้น มีข้อผิดพลาดในการทำงานน้อยลง

หากเราเปรียบเทียบตัวแปลงไทริสเตอร์กับตัวแปลงทรานซิสเตอร์ที่มีกำลังขับเท่ากัน ตัวที่สองจะมีน้ำหนักน้อยกว่า มีขนาดเล็กกว่า และการทำงานของมันจะเชื่อถือได้และสม่ำเสมอกว่า การออกแบบโมดูลาร์ของสวิตช์ IGBT ช่วยให้การกระจายความร้อนมีประสิทธิภาพมากขึ้น และต้องการพื้นที่น้อยลงสำหรับการติดตั้งองค์ประกอบไฟฟ้า นอกจากนี้ สวิตช์โมดูลาร์ยังได้รับการปกป้องที่ดีกว่าจากไฟกระชากของสวิตช์ นั่นคือ โอกาสที่จะเกิดความเสียหายจะต่ำกว่า

ตัวแปลงความถี่ที่ใช้ IGBT มีราคาแพงกว่าเนื่องจากโมดูลพลังงานเป็นชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนในการผลิต อย่างไรก็ตามราคานั้นสมเหตุสมผลตามคุณภาพ ในขณะเดียวกัน สถิติแสดงให้เห็นแนวโน้มที่ราคาของทรานซิสเตอร์ IGBT จะลดลงทุกปี

หลักการทำงานของตัวแปลงความถี่ IGBT

รูปภาพแสดงไดอะแกรมของตัวแปลงความถี่และกราฟของกระแสและแรงดันของแต่ละองค์ประกอบ แรงดันไฟหลักที่มีแอมพลิจูดและความถี่คงที่ถูกป้อนไปยังวงจรเรียงกระแส ซึ่งสามารถควบคุมหรือไม่ควบคุมก็ได้ หลังจากวงจรเรียงกระแสจะมีตัวเก็บประจุ - ตัวกรองแบบ capacitive องค์ประกอบทั้งสองนี้ - วงจรเรียงกระแสและตัวเก็บประจุ - สร้างหน่วย DC

จากตัวกรอง ตอนนี้จ่ายแรงดันคงที่ให้กับอินเวอร์เตอร์พัลส์อัตโนมัติซึ่งทรานซิสเตอร์ IGBT ทำงาน แผนภาพแสดงวิธีแก้ปัญหาทั่วไปสำหรับตัวแปลงความถี่สมัยใหม่ แรงดันไฟฟ้าตรงจะถูกแปลงเป็นพัลส์สามเฟสพร้อมความถี่และแอมพลิจูดที่ปรับได้

ระบบควบคุมจะส่งสัญญาณไปยังปุ่มแต่ละปุ่มอย่างทันท่วงที และคอยล์ที่สอดคล้องกันจะเปลี่ยนเป็นการเชื่อมต่อแบบถาวรตามลำดับ ในกรณีนี้ ระยะเวลาของการเชื่อมต่อขดลวดกับการเชื่อมต่อจะถูกมอดูเลตเป็นไซน์ ดังนั้นในส่วนกลางของครึ่งเวลาความกว้างของพัลส์จึงใหญ่ที่สุดและที่ขอบ - เล็กที่สุด มันกำลังเกิดขึ้นที่นี่ แรงดันมอดูเลตความกว้างพัลส์ บนขดลวดสเตเตอร์ของมอเตอร์ ความถี่ของ PWM มักจะสูงถึง 15 kHz และขดลวดเองก็ทำงานเป็นตัวกรองอุปนัยซึ่งเป็นผลมาจากการที่กระแสไหลผ่านพวกมันเกือบจะเป็นไซน์ไซด์

หากวงจรเรียงกระแสถูกควบคุมที่อินพุต การเปลี่ยนแปลงแอมพลิจูดจะกระทำโดยการควบคุมวงจรเรียงกระแส และอินเวอร์เตอร์จะรับผิดชอบเฉพาะการแปลงความถี่เท่านั้น บางครั้งมีการติดตั้งตัวกรองเพิ่มเติมที่เอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์เพื่อลดคลื่นกระแสไฟฟ้า (ไม่ค่อยใช้ในเครื่องแปลงพลังงานต่ำ)ไม่ว่าจะด้วยวิธีใด เอาต์พุตคือแรงดันไฟฟ้าสามเฟสและกระแสไฟฟ้า AC พร้อมพารามิเตอร์พื้นฐานที่ผู้ใช้กำหนด