Frekvenčni pretvornik

Razvoj frekvenčnih pretvornikov poteka vse od šestdesetih let 20. stoletja, ko je Danfoss predstavil prvo napravo za nadzor hitrosti vrtenja asinhronskih motorjev. Poimenovali so jo Velotrol. Od takrat je razvoj mikroprocesorjev in polprevodniške tehnologije omogočil hiter razvoj tehnologije, a tudi nižanje cen ključnih komponent.

Osnovna zgradba

Glavna funkcija frekvenčnega pretvornika je transformacija konstantne omrežne frekvence in napetosti (npr. 50 Hz, 400 V) v želeno spremenljivo (050 Hz, 0400 V).

Osnovni funkcijski bloki frekvenčnega pretvornika so prikazani za zgornji sliki. Pretvorba konstantne omrežne napetosti in frekvence v želeno v grobem poteka v treh korakih. Najprej usmernik sprejme eno- ali trifazno izmenično omrežno napetost ter jo pretvori v enosmerno. Nato se na kondenzatorju v DC tokokrogu stabilizira in gladi pulzirajoča enosmerna napetost iz usmernika. V zadnjem koraku pa razsmernik konstantno enosmerno napetost transformira v želeno izmenično. Celotno delovanje nadzira kontrolno vezje.

Usmernik

Frekvenčni pretvornik je preko usmernika povezan z omrežjem. Priključen je lahko na eno- (1 x 230 V/50 Hz) ali trifazno (3 x 400 V/50 Hz) konstantno izmenično napetost. Sestavljen je iz diod, tiristorjev, kombinacije obeh ali bipolarnih tranzistorjev (IGBT). Od proizvajalca, namena uporabe in močnostnega ranga je odvisno, kakšna je njegova zgradba. Najpogosteje so uporabljeni taki opcija ki omogočajo pretok energije v eno smer (iz omrežja proti vmesnem tokokrogu). Druga opcija so t. i. Active Front End usmerniki, ki omogočajo pretok energije v obe smeri, torej tudi vračanje v omrežje v primerih, ko je priklopljeni motor v generatorskem režimu delovanja.

V aplikacijah do 30 kW večinoma najdemo nekontrolirane usmernike, sestavljene iz šestih diod v B6 mostičnem vezju. Na tak način izmenično napetost pretvorimo v pulzirajočo enosmerno. V frekvenčnih pretvornikih, moči 37 kW in več, najdemo polkontrolirane usmernike, ki so sestavljeni iz treh diod in treh tiristorjev. Slednji omogočajo nadzorovano proženje vhodnega toka in njegovo omejitev; rezultat je postopno polnjenje kondenzatorjev v srednjem tokokrogu. Možna je tudi tretja opcija, in sicer polno kontroliranih usmernikov s šestimi tiristorji, ki pa se, zaradi prevelikih izgub in motenj, povzročenih ob prevajanju tiristorjev pri kratkih periodah prevajanja, praktično ne uporablja.

Vmesni tokokrog

Vmesni, srednji oz. DC tokokrog ločuje usmernik in razsmernik frekvenčnega pretvornika. Kondenzatorji v njem skrbijo za glajenje pulzirajoče enosmerne napetosti ter shranjevanje energij. To je koristno ob kratkotrajnih padcih napajalne napetosti ali vračanju energije v frekvenčni pretvornik, ko je motor v generatorskem režimu delovanja. V takih primerih, na primer ob zaustavljanju motorjev, se v srednjem tokokrogu dviguje enosmerna napetost in kopiči energija, ki pa je tam omejena. Ob previsoki napetosti zavorni modul energijo preusmeri na zunanji zaviralni upor. Pomembna komponenta boljših frekvenčnih pretvornikov je tudi DC dušilka, ki pomaga pri zmanjševanju harmonskih motenj in gladi tokovno valovanje, kar podaljšuje življenjsko dobo vmesnega tokokroga, še posebej kondenzatorjev.

Razsmernik

Razsmernik predstavlja zadnje dejanje pri generiranju želene frekvence in napetosti na izhod frekvenčnega pretvornika. Ko je motor priključen direktno na električno omrežje, je njegovo optimalno delovanje povezano z idealnimi delovnimi pogoji v nazivni delovni točki. Frekvenčni pretvornik v nasprotju s tem omogoča optimalno delovanje skozi celoten hitrostni razpon, kar doseže z nadzorovanjem razmerja frekvence in napetosti ter s primerno magnetizacijo motorja. Vse to se generira v razsmerniku.

Razsmernik je zgrajen iz šestih tranzistorjev, najbolj so razširjeni IGBT bipolarni tranzistorji. Za razliko od tiristorjev omogočajo višje tokove in napetosti ter hitrejše preklopne frekvence, ki v pulzno širinski modulaciji PWM iz enosmerne napetosti generirajo izmenično napetost. Ta mora biti kar se da podobna sinusu, saj pravilnejša sinusna krivulja pomeni manjše izgube v motorju.

Kontrolno vezje

V kontrolnem vezju se nahaja pamet frekvenčnega pretvornika. Do zdaj predstavljeni usmernik, vmesni tokokrog in razsmernik, ne glede na proizvajalca, temeljijo na istem principu. Nasprotno pa je kontrolno vezje del frekvenčnega pretvornika, kjer posamezni proizvajalec združi in predstavi vse svoje znanje ter izkušnje. Tu potekajo nadzor polprevodniških elementov, izmenjava podatkov med frekvenčnim pretvornikom in krmilnikom ter nadzor glavnih funkcij, da frekvenčni pretvornik lahko prikazuje stanja, opozarja na napake ter pri tem uspešno ščiti sebe in motor. Poznamo več načinov nadzora, najbolj je razširjen vektorski nadzor delovanja. Ta poleg nadzora napetosti in frekvence omogoča tudi nadzor faznega kota napetosti. Deluje lahko v odprti zanki ali s pomočjo povratne informacije. Pri zahtevnejših ali enostavnejših aplikacijah so na voljo tudi druge, naprednejše možnosti regulacije.

Omenjeno je že bilo, da se osnovna zgradba frekvenčnih pretvornikov med proizvajalci ne razlikuje bistveno. So pa velike razlike pri kakovosti vgrajenih elementov in konservativnosti dimenzioniranja
ključnih komponent. 

AVTOR: Aleš Petriček, direktor podjetja Petros d.o.o.