Преобразователи частоты

Преобразователи, также называемые преобразователями переменного тока и, исходя из английского термина, также известные как преобразователи переменного тока в переменный, генерируют новое напряжение переменного тока из напряжения переменного тока с другой частотой и амплитудой. В дополнение к выпрямителям, инверторам и преобразователям постоянного напряжения они образуют подгруппу силовых преобразователей. Преобразователи не следует путать с трансформаторами, которые могут изменять только амплитуду, но не частоту переменного напряжения.

Если преобразователь используется для непосредственного питания электрической машины, такой как трехфазный двигатель, как часть технологии электропривода, и если частота и амплитуда выводятся из рабочего состояния двигателя, преобразователь конкретно называется преобразователем частоты. преобразователь. Затем он включает дополнительные функции для управления двигателем, такие как измерение скорости и процессы коммутации, чтобы адаптировать вращающееся поле в зависимости от текущего состояния машины.

Инверторы и преобразователи частоты представляют собой электронные устройства без механически движущихся компонентов. Напротив, преобразователь представляет собой комбинацию вращающихся электрических машин, обычно электродвигателя и электрогенератора, которые электромеханически обеспечивают преобразование частоты.

Существуют различные топологии преобразователей, как показано на соседней диаграмме в качестве обзора. Наиболее важными типами являются непрямые преобразователи, которые работают с промежуточной цепью, работающей от постоянного напряжения, и, в принципе, представляют собой комбинацию выпрямителя и инвертора. Существуют также прямые преобразователи, также называемые матричными преобразователями, для которых не требуется звено постоянного тока. Основные топологии разделены на разные подгруппы для конкретных областей применения.

Что касается мощности, то различают частичные преобразователи и полные преобразователи. Частичный преобразователь предназначен только для регулирования мощности скольжения (максимум до 30%), полный преобразователь регулирует полную мощность приводной машины или генератора. Частичные преобразователи часто используются в сочетании с асинхронными генераторами двойного питания на ветряных турбинах.

Наиболее важные принципы переключения преобразователей показаны ниже.

Косвенные преобразователи
Косвенные преобразователи с постоянным напряжением в промежуточной цепи, англ. Voltage-Source-Inverter (VSI), состоят из трехфазного выпрямителя (на рисунках слева), цепи постоянного напряжения, в которой постоянное напряжение на конденсаторе С равно запас энергии в промежуточной цепи приблизительно постоянен, а в выходной цепи инвертор (на рисунках справа). Управляющая электроника, необходимая для управления электронными переключателями, не показана на иллюстрациях для ясности.

Преобразователи косвенного действия с постоянным током в промежуточной цепи, англ. Current-Source-Inverter (CSI) состоят из трехфазного выпрямителя с регулированием фазового угла, промежуточной цепи с накопительным дросселем L в качестве накопителя энергии, по которому протекает постоянный постоянный ток при постоянной нагрузке и инвертор на выходе.

Биполярные транзисторы с изолированными электродами затвора (IGBT), показанные на упрощенных принципиальных схемах как электронные переключатели, также могут быть заменены другими электронными переключателями, такими как тиристоры, в зависимости от применения. При высоких напряжениях в несколько сотен кВ выключатели соединяются последовательно и объединяются в так называемые тиристорные башни. Это характерно для больших выходных мощностей до нескольких 100 МВт с короткими соединениями постоянного тока, которые представляют собой форму больших преобразователей между двумя сетями переменного напряжения с разными частотами сети.

Преимущество непрямого преобразователя заключается в том, что выход в значительной степени отделен от входа через промежуточную цепь и ее накопитель энергии. В зависимости от мощности накопитель энергии, особенно в случае преобразователей VSI с конденсатором, имеет сравнительно большой объем. При более высоких мощностях непрямые преобразователи имеют конструкцию CSI с катушкой в ​​качестве накопителя энергии. По сравнению с прямыми преобразователями непрямые преобразователи имеют меньшую плотность энергии.

Прямые преобразователи

Топологии прямого преобразователя, также называемые матричными преобразователями, используются, когда требуется высокая плотность энергии, например, когда преобразователь имеет компактную конструкцию. Структуру матричных преобразователей нельзя разбить на отдельные модули, такие как выпрямители или инверторы, и они выполняют преобразование напряжения и частоты в одном каскаде, матрице.

В трехфазной системе, как показано на упрощенной принципиальной схеме справа, матрица состоит из трех путей на фазу, что означает возможность подключения каждой выходной фазы, обозначенной заглавными буквами A, B и C, к одной из входных фаз a, b или c. Последовательное соединение двух IGBT на тракт необходимо для того, чтобы можно было переключать как положительные, так и отрицательные полуколебания. Благодаря схеме управления, которая здесь для наглядности не показана, в этом преобразователе определенные временные отрезки входных напряжений переключаются на выход таким образом, что получается измененная частота. Прерывистые переходы в области времен переключения выражаются в гармониках, которые гасятся дополнительными фильтрами гармоник.

Другим вариантом схемы прямого преобразователя, который используется, в частности, в качестве преобразователя частоты для управления более крупными трехфазными двигателями, является циклопреобразователь. Особенностью циклопреобразователя является то, что выходная частота всегда ниже входной, если в качестве переключающих элементов используются тиристоры, которые могут включаться в любой момент времени, а выключаться могут только при переходе через ноль.

Смешанная топология

Непрямые матричные преобразователи или преобразователи с разреженной матрицей представляют собой смешанную форму между прямыми и непрямыми преобразователями, они имеют промежуточный контур, но без накопления энергии. то есть напряжение или ток не постоянны во времени и циклически изменяют свое значение. Преимущество заключается в том, что больше не требуются накопители энергии, громоздкие при более высокой мощности. Недостатками являются большие затраты на схемотехнику и более сложная логика управления. Как и циклопреобразователи, преобразователи с разреженной матрицей в основном используются в области преобразователей частоты для управления электродвигателями.

Применение

«Вращающиеся» преобразователи с электроприводом все чаще заменяются «статическими» преобразователями на полупроводниковой основе.

В сварочном секторе в 1960-х годах были распространены вращающиеся преобразователи, узнаваемые по цилиндрическому корпусу и шуму двигателя. Примерно в 1980 году появились сварочные «выпрямители» с трансформаторами, железный сердечник которых обычно можно было механически отрегулировать с помощью выступающей сверху рукоятки, чтобы ограничить сварочный ток. Современные сварочные «инверторы» намного легче и эффективнее: Аппарат на сварочный ток 150 А весит около 4 кг и его можно носить на плечевом ремне. Примерно в 2010 году можно было бы подключить большие устройства, т. е. они обмениваются данными в своем управлении, чтобы добавить свои сварочные токи, например, для черновой сварки на трамвайных рельсах.
В апреле 2014 года в Даттельне была установлена ​​крупнейшая в мире система преобразователя тягового тока мощностью 413 мегаватт. Он обеспечивает около 25% тягового тока DB в Германии с высокой эффективностью. Система с 4 блоками по технологии IGCT (интегральный тиристор с коммутацией затворов) была разработана в швейцарской компании ABB в Турги (Агильдия).