Dažnio keitikliai. Šiuo metu pačios moderniausios ir daugiausia privalumų (pvz., didelis energetinis efektyvumas, greičio reguliavimo sklandumas, galimybė integruoti į bendrą automatizavimo sistemą) turinčios kintamosios srovės elektros pavaros yra valdomos panaudojant dažnio keitiklį. Jų galimybės reguliuojant asinchroninio variklio greitį yra daug geresnės negu keičiant statoriaus polių porų skaičių, rotoriaus varžos dydį, statoriaus apvijas perjungiant iš žvaigždės į trikampį. Tačiau dažnio keitiklis į tinklą generuoja aukštesniąsias harmonikas, kurios privalo būti nuslopintos siekiant išvengti neigiamos įtakos elektros tinklo energetiniams parametrams.
Variklio valdymo būdas, naudojant dažnio keitiklį (10 pav.) šiai dienai yra geriausias variantas. Jie pritaikomi įvairiuose vandens ir šilumos tiekimo objektuose, gyvenamosiose ir darbo patalpose, technologinių procesų automatizavimo sistemose chemijos, maisto ir kitose pramonės šakose, suvartojamos energijos efektyvumui padidinti, avaringumui sumažinti
Keitikliai dažniausiai naudojami variklio greičiui reguliuoti. Didelis dažnio keitiklio privalumas – esant mažam greičiui pasiekiamas didelis sukimo momentas, o paleidimo srovė siekia 1-1,5 Inom variklio srovės . Kitas dažnio keitiklio privalumas – minkštas stabdymas. Šio privalumo pagrindinis pritaikymas siurbliams stabdyti, išvengiant hidraulinio smūgio, taip pat konvejeriams stabdyti, išvengiant galimo produkcijos sugadinimo. Didelis dažnio keitiklių privalumas – energijos taupymas dirbant kartu su siurbliais ir ventiliatoriais. Dažnio keitiklių darbe nereikalingi kondensatoriai reaktyvinei energijai kompensuoti. Reaktyvios galios kompensacija nereikalinga dėl to, kad dažnio keitiklis įėjime kintamą elektros srovę keičia į nuolatinę, o nuolatinė elektros srovė neturi reaktyviosios galios.
Privalumai:
- Elektros variklio lengvas paleidimas, stabdymas ir sukimo greičio reguliavimas.
- Elektros energijos taupymas.
- Elektros variklių apsauga nuo trumpo jungimo, perkrovų, variklio apvijų perkaitimo.
- Elektros variklio apsauga nuo fazių sekos ir fazės dingimo.
- Dažnio keitiklių darbe nereikalingi kondensatoriai reaktyvinės energijos kompensavimui.
- Nesudėtingas montavimas ir parengimas
Trūkumai:
- Gan didelė įrenginio kaina.
- Skleidžia elektromagnetinį triukšmą į tinklą.
Sinchroninių variklių greičio reguliavimas prijungiant jo statoriaus
apviją prie reguliuojamo dažnio f šaltinio
Jei siekiama, kad nesikeistų variklio magnetinis srautas Φm ≈U1/(4,44 f k1 N1), reikia palaikyti santykį U1/f ≈ const. Tai reiškia, kad keičiant dažnį f, proporcingai jam reikia keisti statoriaus apvijos įtampą.
Dažnio keitiklio paskirtis – suformuoti keičiamo dažnio ir įtampos tinklą, prie kurio prijungus asinchroninį elektros variklį, jo apvijomis tekėtų sinuso formos srovės ir jos būtų tokio dažnio, fazės ir dydžio, kad variklio rotorius suktųsi norimu greičiu, norima kryptimi ir turėtų reikiamą sukimo momentą. Egzistuoja didelė dažnio keitiklių įvairovė, tačiau dauguma jų turi 12 pav. pateiktą lygintuvo-inverterio struktūrą.
1 pav. Struktūrinė dažnio keitiklio schema [8]
Lygintuvas kintamą elektros tinklo įtampą paverčia nuolatine, o inverteris iš nuolatinės įtampos suformuoja keičiamo dažnio, fazės ir įtampos tinklą. Sudėtingiausias dažnio keitiklio funkcinis mazgas yra inverteris, kurį sudaro tranzistoriniai raktai. Inverterį valdo specialus įrenginys su mikrovaldikliu arba (ir) signaliniu procesoriumi. Norint garantuoti patikimą inverterio darbą, turi būti stebimos tranzistorinių raktų būsenos, t. y. sekamos jų srovė, įtampa, temperatūra. Inverteris suformuoja impulsines įtampas (13 pav.), kuriomis maitinant variklį dėl jo apvijų indukcinės prigimties variklio apvijomis teka sinuso formos srovė.
13 pav. Įtampa tarp dviejų fazių inverterio išėjime [8]
Yra dvi asinchroninio variklio valdymo metodų grupės: skaliariniai ir vektoriniai. Dauguma dažnio keitiklių taikymo atvejų variklio mechaninės apkrovos priklausomybė nuo sukimosi greičio yra iš anksto žinoma, o reikalavimai dinaminėms asinchroninių pavarų savybėms nėra svarbūs. Tokiais atvejais variklio valdymui pakanka skaliarinio valdymo dažnio keitiklio.
Populiariausios jų panaudojimo sritys yra siurbliai, ventiliatoriai ir dalis konvejerių. Vektorinio valdymo dažnio keitikliai gali greitai ir tiksliai valdyti variklio sukimosi momentą esant įvairiems sukimosi greičiams, gali dirbti esant dideliam pagreičiui. Jis taip pat gali įsijungti, kai variklis sukasi į bet kurią pusę. Asinchroninių variklių pavaros, valdomos vektorinio valdymo dažnio keitiklių naudojamos didelio greičio liftuose, kranuose bei laidų vyniojimo, popieriaus gamybos, plieno liejimo, plastmasės štampavimo ir kituose įrenginiuose.
Dažnio keitiklio privalumai ir trūkumai
Privalumai [8]:
– Be energijos taupymo, dažnio keitikliai turi daugiau privalumų, kurie prideda lankstumo ir patikimumo elektros sistemai.
– Dažnio keitikliai neturi paleidimo srovių šuolio (paleidimo srovė nustatoma iki 150% nuo nominalios variklio srovės). Paleidimo srovių šuoliai atsiranda mechaniškai paleidžiant variklį ir tai gali sukelti variklio nesklandumus. Tai taip pat gali sukelti įtampos svyravimus, kurie savo ruoštu gali pakenkti kitoms apkrovoms (kompiuteriai ir t.t.). Dažnio keitikliai švelniai paleidžia variklius per 20 – 30 s.
– Dažnio keitikliai turi aukštą galios koeficientą, todėl nebereikia naudoti reaktyviosios galios kompensavimo įrenginių (kondensatorių baterijų).
– Dažnio keitikliai išlygina jungimo pikus (trumpalaikius įtampos šuolius), kai išjungiamas variklis. Variklio greitis švelniai mažinamas (pvz. per 20 – 30s). Dažnio keitiklis išsijungia, kai variklio greičio ir srovės reikšmės tampa mažos.
– Dažnio keitikliai turi programuojamas variklio valdymo, apsaugos ir komunikacijų funkcijas, tuo stipriai nutoldami nuo kontaktorių, variklio apsaugų, papildomų kontaktų ir atkabiklių funkcijų. Pavyzdžiui, dažnio keitikliui galima užprogramuoti variklio sukimo kryptį, ir tam nereikia papildomo kontaktoriaus.
– Vienfazėse sistemose, dažnio keitikliai leidžia pakeisti vienfazius variklius trifaziais. Tai yra todėl, kad dažnio keitiklio įėjimas gali būti prijungti prie vienfazio tinklo ir išėjime generuoti trifazį signalą; kitaip tariant vienfazė įtampa keičiama į trifazę įtampą
Trūkumai [8]:
– Dažnio keitikliai turi ir neigiamo poveikio elektros tinklui ir varikliui. Tai harmonikos ir variklių pavarų suderinamumas tiek mažiems, tiek ir dideliems dažnio keitikliams. Skirtumas tik tas, kad mažiems varikliams ir dažnio keitikliams skiriamas mažesnis dėmesys nei dideliems, brangesniems dažnio keitikliams. Paprastai didelės galios dažnio keitiklio įtaka tinklo parametrų netiesiniams iškraipymams yra didelė, todėl jiems būtini filtrai. Pavyzdžiui, jei lygintume 185 kW ir 4 kW dažnio keitiklius, tai pirmuoju atveju filtrai yra būtini.
– Vienfazėse sistemose, dažnio keitikliai generuoja trečią (150Hz) ir penktą (250Hz) harmonikas. Komerciniuose pastatuose, keturlaidėse (3 fazės + nulis) elektros sistemose, jos susilieja į trečiąją harmoniką prisidedančia prie neutralės, todėl nuliniam laidui patartina naudoti storesnį laidininką negu faziniams laidams. Kadangi mažos galios dažnio keitikliai taip pat generuoja harmonikas, todėl, atliekant bet kokius tinklo matavimus, reikia naudoti tRMS (true – Root Mean Square) matavimo prietaisus tikslesniam matavimui.
– Trifazėse sistemose, dominuoja penktoji (250Hz) harmonika, kurią generuoja dažnio keitikliai. Penktoji (250Hz) harmonika yra neigiamos sekos harmonika: ji sukuria priešingą sukimo momentą, kuris verčia variklius sukti atgal. Penktoji (250Hz) harmonika neturi įtakos varikliams, kurie turi dažnio keitiklius. Ji įtakoja tik variklius, kurie valdomi mechaninėmis variklio apsaugomis. Nors pagrindinė variklio srovė (pirmoji harmonika – 50Hz) vis tiek suks variklį pirmyn, tačiau penktoji (250Hz) harmonika papildomai kaitins ir po kažkurio laiko gali žymiai pakenkti statoriaus izoliacijai. Pastebėtina, kad ši penktoji harmonika gali neturėti akivaizdžios įtakos aukščiau esančiam tinklui (t.y. gali būti minimalus įtampos iškraipymas) todėl, kad harmonikos srovė yra pakankamai maža lyginant su bendra srove. Tačiau, tame pačiame
lygyje kuriame yra prijungta daugiau variklių, mažos galios dažnio keitikliai gali stipriai iškraipyti įtampą.
– Pirmas žingsnis kaip kovoti su harmonikomis: prie dažnio keitiklio turi būti prijungta reaktoriaus ritė. Ši ritė mažina srovės iškraipymus dažnio keitiklio įėjime. Ji taip pat apsaugos dažnio keitiklį nuo viršįtampių šuolių (ypač kondensatorių jungimų pikai), kurie atkeliauja iki nuolatinės srovės sąsajos ir sukelia viršįtampius.
– Kai kuriuose pigesniuose dažnio keitikliuose gamintojai mažina kainą išimdami reaktoriaus ritę, taip padarydami dažnio keitiklį „harmonikų generatoriumi”. Tai ypač pavojinga, kai jie montuojami kartu su tiesioginio paleidimo varikliais. Šiuo atveju situaciją galima pataisyti instaliuojant linijinius reaktorius ar izoliuojančius transformatorius.
– Dažnio keitiklį su integruota reaktoriaus rite gali neapsaugoti nuo kylančių problemų. Panašios harmonikų problemos gali kilti, kai grandinėje instaliuojama daug mažos galios dažnio keitiklių, kurie bendrai sukelia didelius netiesinius iškraipymus. Esant didelės galios dažnio keitikliui galima montuoti pasyvinį penktosios (250Hz) ir septintosios (350Hz) harmonikų filtrą. Tačiau šiuo atveju tai nebūtų teisinga, nes mažos apkrovos gali būti labai dinamiškos ir pasyvus harmonikų filtras gali nesumažinti harmonikų. Tokiu atveju geriausiai tinka aktyvūs harmonikų filtrai. Šie įrenginiai seka harmonikų sroves ir generuoja tos pačios amplitudės tik priešingas harmonikoms sroves. Tokiu būdu panaikinamos susidarančios harmonikos ir labai efektyvūs dinamiškoms apkrovoms su kintamomis harmonikų srovėmis.
– Dažnio keitikliams gali atsirasti variklio suderinamumo problemos, ypač kai dažnio keitikliai montuojami seniems varikliams. Greitas puslaidininkių junginėjimasis bei ilgas kabelis gali sukelti viršįtampių atspindžius (kitaip vadinamus stovinčios bangos įtampa, ar vainikinė įtampa), kai įtampos pikas du – tris kartus didesnė už nuolatinės srovės sąsajos įtampą. Daugelis gamintojų deklaruoja, kad kabelio ilgis iki variklio neturi viršyti 30 m, bet kartais net tai yra per daug. Jie gali pramušti pirmųjų kelių variklio apvijų izoliaciją, galinčios sukelti ankstyvą variklio statoriaus izoliacijos pramušimą. Ši problema aktuali tiek didelės, tiek mažos galios dažnio keitikliams, turintiems impulsų pločio moduliacijos išėjimą. Pigesni, mažos galios varikliai ypač pažeidžiami; jų statoriaus apvijos dažnai būna netolygiai suvyniotos (pigesnė gamyba), tai reiškia, kad tarp gretimų apvijų gali būti aukštas potencialas, kuris jas daro mažiau atsparesnes viršįtampių atspindžiams. Norint išvengti viršįtampių reikia sumontuoti mažo pralaidumo filtrus keitiklio išėjime.
O dabar plačiau:
Dažnai užduodami klausimai
Kaip veikia keitiklis?
Keitiklis (dažnio keitiklis) kontroliuoja kintamosios srovės dažnį, kuris virsta variklio sūkių dažniu.
Kam naudojamas dažnio keitiklis?
Keitiklis (dažnio keitiklis) naudojamas variklio greičiui valdyti.
Kaip pasirinkti variklio keitiklį?
Iš pradžių reikia išsinagrinėti variklio techninius duomenis ant vardinės plokštės: maitinimo įtampą, variklio galią, variklio srovę, prijungimo tipą ir variklio greitį. Tada nustatykite apkrovos tipą, sureguliuokite įvestis (išvestis), ryšio būdą, matmenis ir priedus.
Kas yra keitiklis ir dažnio keitiklis?
Keitiklis yra įtaisas, kuris nuolatinę srovę keičia į kintamąją srovę su reguliuojamomis įtampos ir dažnio vertėmis.
Dažnio keitiklis (dar vadinamas inverteriu) yra įtaisas, kuris keičia kintamosios srovės dažnį ir įtampą, kad reguliuotų indukcinio variklio sukimosi greitį ir sukimo momentą. Priklausomai nuo valdymo metodo, kai kurie keitikliai vienu metu gali valdyti kelis variklius.
Nepaisant to, automatizavimo rinkoje dažnio keitikliai paprastai vadinami inverteriais, todėl šiame straipsnyje šiuos pavadinimus naudosime pakaitomis.
Dažnio keitikliai yra esminis mašinos pavaros elementas, kuris turi dirbti pagal tiksliai apibrėžtus parametrus. Renkantis keitiklį konkrečiai programai, verta susipažinti su jų tipais rinkoje.
Kokie yra dažnio keitiklių tipai?
Tarp trifazių variklių dažnio keitiklių išskiriame vienfazius ir trifazius dažnio keitiklius.
Kas yra vienfazis dažnio keitiklis?
Vienfazis trifazių dažnio keitiklis maitinamas iš vienos 230 VAC fazės, o išėjimo metu jis turi 3 fazes, kurių fazinė įtampa yra 230 V. Jis naudojamas esant mažiems varikliams iki 2,2 kW, kurių įtampa yra 230 V.
Kas yra trifazis dažnio keitiklis?
Trifazis dažnio keitiklis maitinamas iš trijų 3 × 400 VAC fazių. Keitiklio išvestyje taip pat yra trys fazės, kurių fazinė įtampa yra 400 V. Trifazių variklių dažnio keitikliai gali veikti didesnėmis apimtimis, paprastai galios diapazone nuo 0,7 kW iki 500 kW. Jie yra labiau paplitę rinkoje nei vienfazių variklių dažnio keitikliai.
Remiantis „Astraada DRV“ modelių pavyzdžiu, trifazių variklių dažnio keitikliai dažniausiai apima skaliarinę / vektorinę valdymo galimybes, ventiliatoriaus siurblio funkcijas ir PID reguliatorių. Jie turi RS-485 ryšio prievadą su „Modbus RTU“ protokolo palaikymu, analoginėmis ir atskiromis įvestimis ir išvestimis, LED valdymo pultu, EMC filtru, STO saugos įvestimi ir automatiniu AVR įtampos reguliavimu.
Vienfazio variklio dažnio keitiklis
Vienfaziai variklių dažnio keitikliai paprastai maitinami iš vienos fazės. Naudojamas vienfaziams asinchroniniams varikliams, t. y. tiems, kurie turi vieną pagrindinę apvinę, vieną pagalbinę apvinę ir fazę keičiantį kondensatorių, varyti. Jie naudojami tokiuose įrenginiuose kaip siurbliai ir ventiliatoriai iki 1,1 kW – jų nerekomenduojama naudoti esant sudėtingoms programoms.
Labai svarbu atskirti vienfazių variklių dažnio keitiklius nuo vienfazių dažnio keitiklių. Vienfazių variklių dažnio keitikliai išėjimo metu turi vieną fazę, o varomi viena faze dažnio varikliai – tris fazes. Automatizavime dažniau naudojami trifazių variklių dažnio keitikliai.
Skaliarinis dažnio keitiklis
Kas yra skaliarinis dažnio keitiklis?
Dažnio keitiklis su skaliariniu valdymu (su U/f algoritmu) naudojamas paprastose programose, kuriose nereikia tikslaus greičio valdymo ir nėra „sunkios pradžios“, t. y. apkrova nuo pat pradžių neturi didelės inercijos. Jo veikimas grindžiamas pastovaus U/f santykio palaikymu, t. y. variklio dažniu ir efektyvia įtampa. Jis daugiausia naudojamas tokiuose įrenginiuose kaip ventiliatoriai ir siurbliai.
Skaliarinis valdymas gali būti naudojamas kelių variklių, t. y. tų, kuriuose keli varikliai yra prijungti prie vieno dažnio keitiklio, funkcijose.
Vektorinis dažnio keitiklis
Kas yra vektorinis dažnio keitiklis?
Vektoriais valdomi dažnio keitikliai skirstomi į jutiklinius ir kontroliuojamo grįžtamojo ryšio.
Jutiklio valdiklyje sukimosi greitis apskaičiuojamas pagal matematinį elektros variklio modelį, nenaudojant papildomo jutiklio. ASTOR produkto pasiūlymas apima sensorinius vektorinius dažnio keitiklius.
Grįžtamojo ryšio keitiklių atveju valdiklis pagrįstas srovės greičio vertės matavimu, matuojamu ant variklio veleno sumontuotu pavieniu kodavimo įtaisu.
Vektoriaus valdomas dažnio keitiklis gali išlaikyti pastovią variklio sukimo momento vertę visame greičio kontrolės diapazone, pradedant nuo 0,5 Hz tiekimo dažnio. Tokiu atveju keitiklis gali vienu metu valdyti tik vieną variklį. Atskirai jis kontroliuoja apvijos sukimo momentą ir srautą, dėl kurio galimas toks didelis veikimo efektyvumas.
Svarbu tai, kad bet koks dažnio keitiklis su vektoriniu valdymu gali veikti skaliariniu režimu ir paprastai tai yra numatytasis valdymo režimas.
Dažnio keitiklis, veikiantis vektoriniu režimu, reikalauja tiksliai įvesti variklio parametrus ir automatinį konfigūravimą. Tai leidžia keitikliui matuoti likusias elektrines vertes, kurių negalima rasti variklio vardinėje plokštelėje, ir išlaikyti pastovią sukimo momento vertę.
Dažnio keitikliai iš vadovėlio
Kintamosios srovės variklių savybė leidžia elektrinę energiją keisti mechanine pagrįsta elektromagnetine indukcija. Įtampa statoriaus apvijose nusako srovės ir magnetinio srauto atsiradimą. Šio srauto kryptis gali būti nustatyta dešinės rankos taisykle (nuo statoriaus srovės). Keičiant įtampos kryptį statoriaus apvijose tuo gali būti keičiama srauto kryptis. Keičiant įtampos kryptį visose variklio statoriaus fazinėse apvijose tam tikra tvarka variklio magnetinis srautas pradeda suktis. Variklio rotorius seka šį srautą (sukasi) su nedideliu slydimu. Tai – pagrindinis principas, naudojamas kintamosios srovės variklių valdymui [14]. Šis valdymas gali būti realizuotas naudojant dažnio keitiklį. Dažnio keitiklis keičia kintamosios srovės ir įtampos dažnį. Dažniausiai dažnio keitiklis susideda iš trijų dalių: 1 – lygintuvo, 2 – nuolatinės srovės (NS) grandinės filtro, 3 – inverterio. Šiuolaikinio dažnio keitiklio struktūra pavaizduota 3.1 paveiksle
3.1 pav. Dažnio keitiklio sandara
Reguliari trifazė srovė tiekiama į lygintuvo dalį, kuri paverčia srovę į nuolatinę. Nuolatinė įtampa paduodama į nuolatinės srovės (NS) grandinę, kuri filtruoja pulsuojančią įtampą. Keitiklis tam tikra tvarka sujungia kiekvieną variklio apvijos fazę su neigiamu arba su teigiamu NS grandinės dydžiu. Srautas, pavaizduotas 3.2 pav., gaunamas uždarant raktus V1, V4 ir V5. Tam, kad srautas pasisuktų 60° prieš laikrodžio rodyklę, reikia uždaryti komutatorių V6, o V5 būtinai atidaryti, nes priešingu atveju gautųsi trumpas jungimas.
3.2 pav. Magnetinio srauto modeliavimas dažnio keitikliu
Keitiklis turi aštuonias skirtingas perjungimo padėtis. Dvejose padėtyse įtampa yra nulinė, t. y. kai visos fazės sujungtos su ta pačia NS grandinės linija, neigiama arba teigiama. Likusiose šešiose perjungimo padėtyse variklio statoriaus apvijose gaunama įtampa, kuri kuria magnetinį srautą. 3.3 pav. rodo šias šešias perjungimo padėtis ir srauto kryptis, kurios gaunamos kiekvienu atveju variklio apvijose.
3.3 pav. Srauto kryptis, gaunamos šešiose perjungimo padėtyse
Praktikoje šis valdymas yra daug sudėtingesnis negu parodytame pavyzdyje, nes magnetinis srautas rotoriuje generuoja sroves, kurios apsunkina situaciją. Išoriniai trikdžiai, tokie
kaip temperatūra arba kintama apkrova, gali taip pat sukelti valdyme sunkumų. Bet šiuolaikinės technologijos puikiai ir efektyviai išsprendžia visus valdymo sunkumus. Naudojant kintamo greičio pavaras su dažnio keitikliu, išsprendžiamos elektros energijos taupymo problemos, nes variklis nenaudoja daugiau energijos negu nustatyta. Be to, šis valdymas turi išskirtinių
savybių ir teikia galimybę nenutrūkstamam valdymui. Automatinėse sistemose su daug pavarų gali būti panaudotas kitokio tipo dažnio keitiklis (daugiakanalis), šio atveju 3.4 pav. dažnio keitiklio 3-oji dalis – inverteriai surišti su bendra nuolatinės srovės (NS) linija. Daugiakanalės pavaros sistemą sudaro: 1 – atskira maitinimo sekcija, 2 – bendra NS linija, 3 – pavaros sekcija (inverteris), 4 – maitinimas.
3.4 pav. Daugiakanalės pavaros sistema
Kaip buvo minėta, dažnio keitiklis susideda iš trijų pagrindinių dalių, be kurių didelę reikšmę turi keitiklio valdymo sistema. 3.5 pav. pavaizduota struktūrinė dažnio keitiklio schema. Šis dažnio keitiklis sudarytas iš trifazio puslaidininkinio lygintuvo, kuris išlygina tinklo įtampą; filtro, skirto išlygintos įtampos pulsacijoms filtruoti; trifazio įtampos inverterio nuolatinei įtampai keisti į kintamąją; srovės jutiklių, kuriais matuojant kiekvienos fazės variklio srovę, nustatomas ne tik variklio apkrovimas, bet ir sudėtingesnio valdymo dažnio keitikliuose nustatomas variklio srauto vektoriaus padėtis. Taip pat be minėtų jutiklių, įeinančių į apsaugos grandinę, dažnio keitiklis turi įėjimo (maitinimo) įtampos jutiklius ir temperatūros jutiklį, kuris atsižvelgiant į aplinkos poveikį, kai kaista inverterio grandinės puslaidininkiniai raktai, neleidžia jiems perkaisti. Dažnio keitiklio valdymo sistema susideda ne tik iš daugybės jutiklių, iš kurių nuskaityta informacija ateina į jutiklių modulį, bet ir valdymo modulius. Impulso pločio moduliacijos (IPM) valdymo modulyje priklausant nuo iš išorės atėjusių signalų formuojami IPM signalai, kurie siunčiami į tranzistorinių raktų (pvz. IGBT) valdymo modelį, o jame suformuojama raktų valdymo įtampa.
3.5 pav. Dažnio keitiklio struktūrinė schema
Visų signalų apdorojimą, taip pat valdymo signalų generavimą priklausantį nuo gautos jutiklio bloko ir iš valdymo pulto įvestos per klaviatūrą informacijos, vykdo sudėtingas valdymo procesoriaus modulis. Dažnio keitiklis valdomas iš valdymo pulto klaviatūra, vartotojo ir kiti nustatymai rodomi į to paties pulto skystąjį kristalą rodytuve. Duomenų išvedimui ir priėmimui numatytas nuoseklus perdavimo kanalas su RS485 sąsaja. Tokia keitiklio struktūra yra dažniausiai naudojama šiuolaikiniuose dažnio keitikliuose, tik su skirtingais valdymo kintamųjų būdų realizavimu [14]
Kodėl naudinga naudoti kintamos srovės dažnio keitiklius?
Dažnio keitiklio paskirtis suformuoti keičiamo dažnio ir įtampos trifazį tinklą, prie kurio prijungus asinchroninį elektros variklį, jo apvijomis tekėtų sinuso formos srovės ir jos būtų tokio dažnio, fazės ir dydžio, kad variklio rotorius suktųsi norimu greičiu, norima kryptimi ir turėtų reikiamą sukimo momentą
1 pav. Struktūrinė dažnio keitiklio schema.
Yra didelė dažnio keitiklių įvairovė, tačiau dauguma jų turi pateiktą konverterio-inverterio struktūrą (1pav.). Konverteris kintamą elektros tinklo įtampą paverčia nuolatine, o inverteris iš nuolatinės įtampos suformuoja keičiamo dažnio, fazės ir įtampos trifazį tinklą. Konverteris paprastai yra nevaldomas vienfazis arba trifazis lygintuvas. Sudėtingiausias dažnio keitiklio funkcinis mazgas yra inverteris, kurį sudaro tranzistoriniai raktai. Inverterį valdo specialus įrenginys su mikrovaldikliu arba (ir) signaliniu procesoriumi. Norint garantuoti patikimą inverterio darbą, turi būti stebimos tranzistorinių raktų būsenos, t.y. sekamos jų srovė, įtampa, temperatūra. Inverteris suformuoja impulsines įtampas, kuriomis maitinant variklį dėl jo apvijų indukcinės prigimties variklio apvijomis teka sinuso formos srovė.
Esant galimybei valdyti elektros variklių sukimosį greitį, keičiant gamtinių ar atsinaujinančių šaltinių energiją, bei realizuojant hibridines technologijas, kintamos srovės dažnio keitikliai leidžia:
- Optimizuoti technologinių procesų valdymą
- Sumažinti išlaidas elektros energijai ir padidinti jos panaudojimo efektyvumą
- Sumažinti mechanines apkrovas variklių valdymo sistemose
- Optimizuoti įvairių sistemų, kuriuose yra elektros variklis, darbą
Įvertinus visus šiuos išvardintus privalumus, dažnio keitiklio įsigijimas – tai puiki investicija į ateitį. Dažniausiai jų atsipirkimo periodas neviršija vienerių metų, ypač tose sistemose, kur yra apčiuopiamas taupymo potencialas, įskaitant ventiliatorius ir siurblius. - Technologinių procesų valdymo optimizavimas
Pramonėje yra naudojama įvairios konfiguracijos ir skirtingų dydžių elektros varikliai – nuo nedidelių, montuojamų baseinų siurbliuose, iki didžiulių, sumontuotų varomosiose laivų sistemose. Jie vaidina svarbią rolę optimizuojant įvairias technologines operacijas, o taip pat yra svarbūs medžiagų transportavimo ir apdirbimo sistemose įvairiose gamybos srityse.
Sklandus variklio greičio valdymas varikliuose su kintamos srovės dažnio keitikliais leidžia lengvai valdyti srautą plačiose ribose. Valdymas pilnose ribose įgalina sklandžiai didinti technologinius parametrus iki stabilaus lygio su galimybe vėliau pasiekti maksimalią reikšmę, kas padidina našumą ir darbo pelningumą.
Kintamos srovės dažnio keitikliai palaiko įvairius ryšio protokolus, bei turi kelis prijungimo prievadus. Todėl juos labai lengva integruoti į jau esamas ar naujas automatikos sistemas. Prie dažnio keitiklių taip pat galima prijungti daviklius ir kitokius technologinius įrenginius. Visą šią informaciją galima panaudoti sistemų, kurios prijungtos prie dažnio keitiklio, valdymui arba kitų technologinių parametrų valdymui. - Elektros energijos sąnaudų sumažinimas
Elektros varikliai naudojami beveik visur, o kintamos srovės dažnio keitikliai leidžia padidinti elektros variklių efektyvumą. Jeigu variklis sukasi minimaliu darbui atlikti reikalingu greičiu, tai pasiekiamas maksimalus elektros energijos taupymas. Elektros energijos taupymas reiškia išlaidų sumažinimą, gamtinių resursų taupymą ir CO2 išmetamo kiekio sumažinimą.
Kaip pavyzdį, galima paimti oro kondicionavimo sistemą. Esant karštam orui lauke, ventiliatoriai turi dirbti maksimaliu greičiu. Tačiau sumažėjus temperatūrai, ventiliatorių sukimosį greitį galima reikšmingai sumažinti.
Kintamos srovės dažnio keitikliai turi galimybę panaudoti stabdymo energiją, vietoj to, kad ji pavirsta į nereikalingą šilumą. Taip paprastai atsitinka esant mechaniniam stabdymui. Tai leidžia sutaupyti daugiau elektros energijos. Kaip pavyzdį galima pateikti konvejerį, naudojamą išgautos geležies rūdos transportavimui iš didelio aukščio perdirbimui. Konvejeryje yra būtina pastoviai naudoti stabdymą, kad išvengti per didelio įsibėgėjimo. Naudojant kintamos srovės dažnio keitiklius, stabdymo metu atlaisvintą energiją galima grąžinti atgal į elektros tinklą, taigi konvejeris, iš esmės, generuoja elektros energiją. Panašiu būdu kintamos srovės dažnio keitikliai naudojami ir atsinaujinančių energijos šaltinių sistemose elektros energijos grąžinimui į tinklą. - Mechaninių ir elektrinių apkrovų sumažinimas
Sklandus elektros variklių paleidimas, stabdymas ir greičio reguliavimas sumažina įrangos dėvėjimąsi ir sumažina išlaidas įrangos aptarnavimui ir remontui. Taip pat sumažina technologinių sistemų, tokių kaip ortakiai ir vandens vamzdžiai apkrovimą ir sumažina avarijų tikimybę. Pavyzdžiui, jeigu užpildyti vamzdį be srauto greičio valdymo, skystis su didele jėga spaus uždarytą vožtuvą. Tai gali iššaukti sistemos perkrovą. Sumontavus šioje sistemoje kintamos srovės dažnio keitiklį siurblio valdymui, skystis vamzdžiu tekės tolygiai ir atitinkamai pagal technologinius reikalavimus.
Ne mažiau svarbu, kad sumažėja ir elektros sistemos apkrova, nes esant tolygiam paleidimui, stabdymui ir valdymui, sumažėja įrangoje tekančios elektros srovės. Be valdomo stabdymo didelio inertiškumo sistemos dar ilgą laiką sukasi po jų išjungimo. Sistemose su dažnio keitikliais valdomas stabdymas – natūrali praktika. Netikėtas siurblio sustojimas gali sukelti hidraulinį smūgį vamzdyne. Kad išvengti tokių situacijų, kintamos srovės dažnio keitikliai tolygiai sumažina siurblio sukimosi greitį.
Dažnio keitiklių privalumai
• Be energijos taupymo, dažnio keitikliai turi daugiau privalumų, kurie prideda stabilumo ir tvirtumo elektros paskirstymo sistemai.
• Dažnio keitikliai neturi paleidimo srovių šuolio (paleidimo srovė nustatoma iki 150% nuo nominalios variklio srovės). Paleidimo srovių šuoliai atsiranda mechaniškai paleidžiant variklį ir tai gali sukelti variklio nesklandumus. Tai taip pat gali sukelti įtampos svyravimus, kurie savo ruoštu gali pakenkti kitoms apkrovoms (kompiuteriai ir t.t.). Dažnio keitikliai švelniai paleidžia variklius per 20 – 30 s.
• Dažnio keitikliai turi aukštą galios koeficientą, todėl nebereikia naudoti reaktyviosios galios kompensavimo įrenginių (kondensatorių baterijų).
• Dažnio keitikliai išlygina jungimo pikus (trumpalaikius įtampos šuolius), kai išjungiamas variklis. Variklio greitis švelniai mažinamas (pvz. per 20 – 30 s). Dažnio keitiklis išsijungia, kai variklio greičio ir srovės reikšmės tampa pasidaro mažos ir santykinai mažas variklio išjungimo pikas sugeriamas keitiklio DC grandinėje.
• Dažnio keitikliai turi programuojamas variklio valdymo, apsaugos ir komunikacijų funkcijas, tuo stipriai nutoldami nuo kontaktorių, variklio apsaugų, papildomų kontaktų ir atkabiklių funkcijų. Pavyzdžiui, dažnio keitikliui galima užprogramuoti variklio sukimo kryptį, ir tam nereikia papildomo kontaktoriaus.
• Vienfazėse sistemose, dažnio keitikliai leidžia pakeisti vienfazius variklius trifaziais. Tai yra todėl, kad dažnio keitikliai įėjime gali būti prijungti prie vienfazio tinklo (230V AC) ir išėjime generuojamas trifazis signalas; kitaip tariant vienfazė įtampa keičiama į trifazę įtampą.