Σε διάφορες καταστάσεις μπορεί να είναι απαραίτητη η μετατροπή της συχνότητας του ρεύματος της πηγής σε τάση ρυθμιζόμενης συχνότητας. Αυτό απαιτείται, για παράδειγμα, κατά τη λειτουργία ασύγχρονων κινητήρων για την αλλαγή της ταχύτητάς τους. Το παρόν άρθρο θα περιγράψει τον σκοπό και την αρχή του μετατροπέα συχνότητας.
Περιεχόμενα
Τι είναι ο μετατροπέας συχνότητας
Ο μετατροπέας συχνότητας (ΜΣ) είναι μια ηλεκτρική συσκευή που μετατρέπει και ρυθμίζει αδιαβάθμητα ένα μονοφασικό ή τριφασικό εναλλασσόμενο ρεύμα συχνότητας 50 Hz σε παρόμοιο ρεύμα συχνότητας 1 έως 800 Hz. Οι συσκευές αυτές χρησιμοποιούνται ευρέως για τον έλεγχο της λειτουργίας διαφόρων ηλεκτρικών μηχανών ασύγχρονου τύπου, π.χ. για τη μεταβολή της ταχύτητάς τους. Υπάρχουν επίσης συσκευές για χρήση σε βιομηχανικά δίκτυα υψηλής τάσης.
Οι απλοί μετατροπείς ρυθμίζουν τη συχνότητα και την τάση σύμφωνα με μια χαρακτηριστική V/f, ενώ οι σύνθετες συσκευές χρησιμοποιούν διανυσματικό έλεγχο.
Ένας μετατροπέας συχνότητας είναι μια τεχνικά πολύπλοκη συσκευή και δεν αποτελείται μόνο από έναν μετατροπέα συχνότητας, αλλά διαθέτει επίσης προστασία από υπερένταση, υπέρταση και βραχυκύκλωμα. Ο εν λόγω εξοπλισμός μπορεί επίσης να διαθέτει πηνίο για τη βελτίωση της κυματομορφής και φίλτρα για τη μείωση των διαφόρων ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών. Γίνεται διάκριση μεταξύ ηλεκτρονικών μετατροπέων και ηλεκτρομηχανικών διατάξεων.
Αρχή λειτουργίας ενός μετατροπέα συχνότητας
Ένας ηλεκτρονικός μετατροπέας συχνότητας αποτελείται από διάφορα βασικά στοιχεία: ανορθωτή, φίλτρο, μικροεπεξεργαστή και αντιστροφέα.
Ο ανορθωτής διαθέτει μια δέσμη διόδων ή θυρίστορ, οι οποίες ανορθώνουν το αρχικό ρεύμα στην είσοδο του μετατροπέα. Οι μετατροπείς διόδων χαρακτηρίζονται από την πλήρη απουσία κυμάτωσης και είναι φθηνές αλλά αξιόπιστες συσκευές. Οι μετατροπείς με θυρίστορ επιτρέπουν τη ροή ρεύματος και προς τις δύο κατευθύνσεις και επιτρέπουν την επιστροφή της ηλεκτρικής ενέργειας στο δίκτυο όταν ο κινητήρας φρενάρει.
Φίλτρο χρησιμοποιείται σε μονάδες που βασίζονται σε θυρίστορ για τη μείωση ή την εξάλειψη της κυμάτωσης τάσης. Η εξομάλυνση γίνεται με χωρητικά ή επαγωγικά-χωρητικά φίλτρα.
Ο μικροεπεξεργαστής - είναι η μονάδα ελέγχου και αξιολόγησης του αντιστροφέα. Λαμβάνει και αξιολογεί τα σήματα από τους αισθητήρες, γεγονός που επιτρέπει τη ρύθμιση του σήματος εξόδου από τον αντιστροφέα από τον ενσωματωμένο ελεγκτή PID. Αυτό το στοιχείο καταγράφει και αποθηκεύει επίσης δεδομένα συμβάντων, καταγράφει και προστατεύει τη μονάδα από υπερφόρτωση, βραχυκύκλωμα, αναλύει τις συνθήκες λειτουργίας και απενεργοποιεί σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης.
Μετατροπέας Ο έλεγχος τάσης και ρεύματος χρησιμοποιείται για τον έλεγχο των ηλεκτρικών μηχανών, δηλαδή για τη συνεχή ρύθμιση της συχνότητας του ρεύματος. Μια τέτοια συσκευή παράγει ένα "καθαρό ημίτονο" εξόδου, το οποίο της επιτρέπει να χρησιμοποιείται σε πολλές βιομηχανικές εφαρμογές.
Η αρχή λειτουργίας ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα συχνότητας (αντιστροφέα) είναι η εξής:
- Το ημιτονοειδές μονοφασικό ή τριφασικό ρεύμα εναλλασσόμενου ρεύματος εισόδου ανορθώνεται από μια γέφυρα διόδων ή θυρίστορ,
- Ειδικά φίλτρα (πυκνωτές) φιλτράρουν το σήμα για να μειώσουν ή να εξαλείψουν την κυμάτωση της τάσης,
- Η τάση μετατρέπεται σε τριφασικό κύμα με καθορισμένες παραμέτρους μέσω ενός μικροκυκλώματος και μιας γέφυρας τρανζίστορ,
- Στην έξοδο του αντιστροφέα, οι ορθογώνιοι παλμοί μετατρέπονται σε ημιτονοειδή τάση με καθορισμένες παραμέτρους.
Τύποι μετατροπέων συχνότητας
Υπάρχουν διάφοροι τύποι μετατροπέων συχνότητας, οι οποίοι είναι σήμερα οι πιο συνηθισμένοι για παραγωγή και χρήση:
Μετατροπείς ηλεκτρο-μηχανής (ηλεκτρο-επαγωγή): χρησιμοποιούνται όταν η χρήση ηλεκτρονικών μετατροπέων συχνότητας δεν είναι δυνατή ή εφικτή. Πρόκειται για ασύγχρονους κινητήρες με ρότορες με φασική περιέλιξη που λειτουργούν σε λειτουργία γεννήτριας-μετατροπέα.
Οι μονάδες αυτές είναι μετατροπείς κλιμακωτού ελέγχου. Η έξοδος αυτής της μονάδας παράγει μια τάση συγκεκριμένου πλάτους και συχνότητας προκειμένου να διατηρηθεί μια συγκεκριμένη μαγνητική ροή στα τυλίγματα του στάτη. Χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπου δεν είναι απαραίτητο να διατηρείται η ταχύτητα του ρότορα ανάλογα με το φορτίο (αντλίες, ανεμιστήρες και άλλος εξοπλισμός).
ηλεκτρονικοί μετατροπείς: χρησιμοποιείται ευρέως σε όλες τις συνθήκες λειτουργίας για μια ποικιλία εξοπλισμού. Αυτές οι συσκευές βασίζονται σε διανυσματικά στοιχεία, υπολογίζουν αυτόματα την αλληλεπίδραση των μαγνητικών πεδίων στάτη και ρότορα και παρέχουν σταθερή ταχύτητα ρότορα ανεξάρτητα από το φορτίο.
- Κυκλοφορητές,
- Κυκλοφορητές,
- Μετατροπείς DC link:
- Μετατροπέας συχνότητας πηγής ρεύματος,
- Μετατροπέας συχνότητας μιας πηγής τάσης (με διαμόρφωση πλάτους ή πλάτους παλμού).
Όσον αφορά την εφαρμογή, ο εξοπλισμός μπορεί να είναι:
- Για εξοπλισμό έως 315 kW,
- διανυσματικούς μετατροπείς για ισχύ έως 500 kW,
- συσκευές με αντιεκρηκτική προστασία για χρήση σε εκρηκτικά και σκονισμένα περιβάλλοντα,
- μετατροπείς συχνότητας τοποθετημένοι σε ηλεκτροκινητήρες,
Κάθε τύπος μετατροπέα συχνότητας έχει ορισμένα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα και είναι κατάλληλος για διαφορετικό εξοπλισμό και φορτία καθώς και για διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας.
Ο μετατροπέας συχνότητας μπορεί να ελέγχεται χειροκίνητα ή εξωτερικά. Ο χειροκίνητος έλεγχος πραγματοποιείται από τον πίνακα ελέγχου του μετατροπέα συχνότητας, ο οποίος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη ρύθμιση της ταχύτητας ή τη διακοπή της λειτουργίας. Ο εξωτερικός έλεγχος πραγματοποιείται μέσω συστημάτων αυτόματου ελέγχου (ACS), τα οποία μπορούν να παρακολουθούν όλες τις παραμέτρους της συσκευής και να επιτρέπουν την εναλλαγή του κυκλώματος ή του τρόπου λειτουργίας (μέσω μετατροπέα συχνότητας ή παράκαμψης). Ο εξωτερικός έλεγχος επιτρέπει επίσης τον προγραμματισμό του μετατροπέα για τις συνθήκες λειτουργίας, το φορτίο και το χρόνο, επιτρέποντας στον μετατροπέα να λειτουργεί σε αυτόματη λειτουργία.
Για ποιο λόγο ο ηλεκτροκινητήρας μπορεί να χρειάζεται μετατροπέα συχνότητας
Η χρήση μετατροπέων συχνότητας μειώνει το ενεργειακό κόστος, το κόστος απόσβεσης των κινητήρων και του εξοπλισμού. Είναι δυνατή η χρήση τους για κινητήρες βραχυκυκλωμένου κλωβού χαμηλού κόστους, γεγονός που μειώνει το κόστος παραγωγής.
Πολλοί ηλεκτροκινητήρες λειτουργούν υπό συχνά μεταβαλλόμενες συνθήκες λειτουργίας (συχνές εκκινήσεις και στάσεις, μεταβαλλόμενα φορτία). Οι μετατροπείς συχνότητας επιτρέπουν την ομαλή εκκίνηση του κινητήρα και μειώνουν τη μέγιστη ροπή εκκίνησης και τη θέρμανση του εξοπλισμού. Αυτό είναι σημαντικό, για παράδειγμα, σε ανυψωτικά μηχανήματα και μειώνει τις αρνητικές επιπτώσεις των ξαφνικών εκκινήσεων και των σπασμωδικών στάσεων.
Με τη βοήθεια των μετατροπέων κίνησης είναι δυνατός ο ομαλός έλεγχος της λειτουργίας των φυσητήρων, των αντλιών και επιτρέπει την αυτοματοποίηση των τεχνολογικών διεργασιών (που χρησιμοποιούνται σε λέβητες, ορυχεία, πετρελαιοπαραγωγεία και διυλιστήρια, υδραυλικά έργα και άλλες εγκαταστάσεις).
Η χρήση μετατροπέων συχνότητας σε μεταφορείς, ταινίες μεταφοράς, ανελκυστήρες μπορεί να αυξήσει τη διάρκεια ζωής των εξαρτημάτων τους, επειδή μειώνει τα τραντάγματα, τους κραδασμούς και άλλους αρνητικούς παράγοντες κατά την εκκίνηση και τη διακοπή του εξοπλισμού. Μπορούν να αυξάνουν και να μειώνουν ομαλά την ταχύτητα του κινητήρα, να εκτελούν αναστροφή, η οποία είναι σημαντική για μεγάλο αριθμό βιομηχανικού εξοπλισμού υψηλής ακρίβειας.
Πλεονεκτήματα των μετατροπέων συχνότητας:
- Μειωμένο ενεργειακό κόστος: λόγω μειωμένων ρευμάτων εκκίνησης και ρύθμισης της ισχύος του κινητήρα ανάλογα με το φορτίο,
- Αυξάνει την αξιοπιστία και την ανθεκτικότητα του εξοπλισμού: Επιτρέπει την παράταση της διάρκειας ζωής και την παράταση των διαστημάτων συντήρησης,
- Επιτρέπει την εισαγωγή εξωτερικού ελέγχου και διαχείρισης του εξοπλισμού από απομακρυσμένες συσκευές υπολογιστή και τη δυνατότητα ενσωμάτωσης σε συστήματα αυτοματισμού,
- Οι μετατροπείς συχνότητας μπορούν να χειριστούν οποιαδήποτε χωρητικότητα φορτίου (από ένα κιλοβάτ έως δεκάδες μεγαβάτ),
- Η παρουσία ειδικών εξαρτημάτων στους μετατροπείς συχνότητας μπορεί να προστατεύσει από υπερφορτίσεις, απώλεια φάσης και βραχυκυκλώματα, καθώς και να εξασφαλίσει την ασφαλή λειτουργία και τον τερματισμό λειτουργίας του εξοπλισμού σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης.
Φυσικά, όταν κοιτάξετε αυτόν τον κατάλογο πλεονεκτημάτων, ίσως αναρωτηθείτε γιατί να μην τα χρησιμοποιήσετε για όλους τους κινητήρες σε ένα εργοστάσιο; Η απάντηση είναι προφανής, δυστυχώς, αλλά είναι το υψηλό κόστος των μετατροπέων συχνότητας, η εγκατάστασή τους και η θέση τους σε λειτουργία. Δεν μπορεί κάθε εταιρεία να αντέξει αυτά τα έξοδα.
Σχετικά άρθρα:
