Drivteknik.nu

 

Hem / SKOLA / Skola - Frekvensomriktare

PRINCIP FO

källa: Värt att veta om frekvensomriktare

Frekvensomriktare är en elektronisk motorstyrning. Den kan styra 3-fas växelströmmotorer genom att omvandla nätets fasta frekvens och spänning till till steglöst variabla storheter. Som frekvensomrikarens fördelar ska man nämna : 

1) energibesparing 
2) möjlighet att exakt anpassa motorns varvtal och därmed optimalisera produktion 
3) Lägre underhållskostnader, process- och kvalitetsförbättring och förbättrad arbetsmiljö 

En frekvensomriktare kan delas upp i fyra huvudkomponenter :

 

1. Likriktaren

Matas med enfas eller trefas växelspänning från nätet och avger pulserande likspänning. Det finns två grundtyper av likriktare : styrda och ostyrda.

2. Mellankretsen.

Det finns tre olika typer:
....a) En typ som omformar likriktarspänningen till likström.
....b) En typ som stabiliserar eller glattar den pulserande likspänningen och sänder den vidare till växelriktaren.
....c) En typ som omformar den konstanta likspänningen från likriktaren till variabel spänning.

3. Växelriktaren

styr frekvensen hos den spänning som tillförs motorn. Vissa typer av växelriktare kan dessutom omforma den konstanta likspänningen till en variabel växelspänning.


4.
Styrkretsarnas elektronik

Sänder och tar emot signaler till/från likriktaren, mellankretsen och växelriktaren. Exakt vilka delar som styrs beror på den aktuella frekvensomritarens konstruktion.
Gemensamt för alla frekvensomriktare är att deras styrkretsar utnyttjar signalerna för att få växelriktarens halvledare att omväxlande leda och spärra. Kopplingsmönstret kan byggas upp enligt olika principer, och man delar ofta in frekvensomriktare efter vilket kopplingsmönster som styr mätningen till motorn.
Strömstyrd omriktare: f CSI (current source inverter) (1 + 3 + 6) Pulsamplitudmodulerad omriktare: PAM (1 + 4 + 7) (2 + 5 + 7) Pulsbreddmodulerad omriktare: PWM/VVCplus (2 + 4 + 7)

För fullständighetens skull bör nämnas att det också finns direktomriktare, vilka saknar mellankrets. Sådana omriktare används i MW-effektområdet för att generera lågfrekvent matningsspänning direkt ur 50 Hz-nätet. Deras maximala utfrekvens är omkring 30 Hz.



LIKRIKTARE

Matningsspänningen är en- eller trefas växelspänning med fast frekvens (t.ex. 3 x 400 V/50 Hz eller 1 x 240 V/50 Hz Hz).



Av figuren framgår att de tre faserna är tidsförskjutna, att fasspänningen hela tiden växlar polaritet eller "riktning", samt att frekvensen anger hur många gånger per sekund denna växling sker. Om frekvensen är 50 Hz, genomlöper fasspänningen 50 perioder (50 x T) under en sekund. Detta innebär att en period har en varaktighet av 20 millisekunder.
Likriktaren i en frekvensomriktare kan vara uppbyggd antingen med enbart dioder, enbart tyristorer eller med en kombination av båda dessa halvledarkomponenter. En likriktare med enbart dioder kallas ostyrd och en likriktare med enbart tyristorer kallas helstyrd. En likriktare i vilken dioder och tyristorer kombinerats kallas for halvstyrd likriktare.Om trefas vaxelspanning ansluts till en ostyrd trefaslikriktare, erhålls också pulserande likspänning.

Utgångsspänningen från en ostyrd likriktare är skillnaden mellan spänningarna på de båda diodgruppernas utgångar A och B. Den pulserande likspänningens medelvärde ar 1,35 x nätspanningen.

 

d

 

MELLANKRETSEN

Mellankretsen kan betraktas som ett lager från vilket motorn via växelriktaren hämtar sin energi. Mellankretsen kan byggas upp enligt tre olika principer, beroende pa vilken typ av likriktare och växelriktare den ska användas tillsammans med.

Vid strömstyrda växelriktare består mellankretsen av en mycket stor spole. Denna typ av mellankrets används endast tillsammans med helstyrd likriktare. Spolen omformar den variabla likspänningen från likriktaren till variabel likström. Belastningen bestämmer hur hög spänning som tillförs motorn.

Vid spänningsstyrd växelriktare består mellankretsen av ett filter som innehåller en kondensator och en spole. Denna typ av mellankrets kan kombineras med båda likriktartyperna. Filtret glättar den pulserande likspänningen UZ1 som likriktaren levererar. Om likriktaren är helstyrd, hålls spänningen konstant vid en given frekvens och tillförs växelriktaren som en ren likspänning UZ2 vars värde kan varieras.

 

 

x

 

VÄXELRIKTARE

Växelriktaren är den sista delen i frekvensomriktare före motorn. Det är här som utgångsspänningen slutligt anpassas till motorns krav. Frekvensomriktaren anpassar utgångsspänningen till belastningsforhållandena, så att motorn får goda driftförhållanden över hela reglerområdet. Det är alltså möjligt att hålla motorns magnetisering optimal även utanför den nominella arbetspunkten.
Från mellankretsen till växelriktaren kommer äntingen:

• variabel likström,
• variabel likspänning eller
• konstant likspänning

I samtliga tre fall ska växelriktaren se till att den spänning som tillförs motorn är en variabel växelspänning. Med andra ord ska växelriktaren skapa motorspänningens frekvens. Om variabel ström eller spänning tillförs växelriktaren, blir dess enda uppgift att skapa frekvensen. Om konstant spänning tillfors växelriktaren, måste den både skapa frekvensen och reglera amplituden. Även om växelriktare kan fungera på olika sätt, är de likartat uppbyggda. Huvudkomponenterna är styrda halvledare, kopplade parvis i tre grenar.I växelriktare dominerar transistorer mest Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT), som kan skifta mycket snabbt mellan ledande och spärrande tillstånd. Jamfört med tyristorer har transistorer fördelen av att kunna fås att leda eller spärra vid vilken tidpunkt som helst. En ledande tyristor spärrar däremot först nästa gång spänningen över den passerar genom noll. Ska en vanlig tyristor fas att spärra (»slackas») vid någon annan tidpunkt, krävs särskilda släckkretsar.
Transistorer mojliggör dessutom högre switchfrekvens. Maximal switchfrekvens for tyristorer är 2 kHz, medan moderna komponenter som till exempel IGBT klarar omkring 20 kHz. Det blir därigenom möjligt att höja växelriktarens switchfrekvens avsevart, fran 300 Hz till 20 kHz.
Växelriktarens halvledare leder och spärrar enligt de signaler de mottar från styrkretsarna. Det finns flera olika styrprinciper. Vaxelriktare som anvands tillsammans med mellankretsar for variabel ström, består i princip av sex dioder, sex tyristorer och sex kondensatorer.



 

Växelriktare för mellankrets med variabel ström

 

Kondensatorerna laddas med den energi som behövs for att tända och släcka tyristorerna, och ska därför vara anpassade efter motorstorleken. 
Kondensatorerna gör det mojligt att slå till och från tyristorerna så att det i motorns faslindningar uppstår ett mönster av likströmspulser som är förskjutna 120° relativt varandra. När matningsspänning periodiskt läggs över motorns anslutningar U-V, V-W, W-U, U-V... uppstår ett roterande fält med önskad frekvens i statorn. Motorströmmarna blir i det närmaste fyrkantformade, men motorspänningarna blir nästan sinusformade. Det uppstår emellertid spänningstoppar när strömmen slås till och från.Dioderna fungerar som spärr mellan kondensatorerna och motorns belastningsström.


 

 

Växelriktare för mellankrets med variabel eller konstant spänning och
utgångström anpassad till växelriktarens switchfrekvens

 

I växelriktare för denna typ av mellankretsar finns det sex switchkomponenter. Växelriktarens funktion är principiellt densamma oavsett vilken typ av halvledarkomponent som valts. Styrkretsarna kopplar in och ur halvledarkomponenterna enligt någon av flera möjliga principer (modulation), varvid frekvensomriktarens utgångsfrekvens ändras.

En av principerna innebär att växelriktaren arbetar med mellankretsens variabla spänning eller ström. Intervallerna under vilka de enskilda halvledarkomponenterna leder respektive spärrar styrs i en lämplig sekvens (modulationsmönster) som hela tiden upprepas så att den önskade utgångsfrekvensen erhålls.

Halvledarkomponenternas switchmönster styrs av värdet på mellankretsens variabla spänning eller ström. Om en spänningsstyrd oscillator används, följer frekvensen alltid spänningens amplitud. Detta sätt att styra växelriktaren kallas därför for pulsamplitudmodulering, PAM (eng. Pulse Amplitude Modulation).

Den andra principen innebär att en fast mellankretsspänning används. Av denna konstanta spänning skapas en variabel motorspänning genom styrning av de tidsintervall under vilka mellankretsspänningen hålls inkopplad till motorlindningarna.

Variabel frekvens uppnås genom växling av spänningspulserna längs tidsaxeln - positiva under den ena halvperioden och negativa under den andra. Eftersom det vid detta sätt att styra växelriktaren är pulsernas bredd som ändras, kallas metoden for pulsbreddsmodulering, PWM (eng. Pulse Width Modulation). PWM (och närbesläktade metoder som sinusstyrd PWM) är det vanligaste sättet att styra växelriktare.

I traditionell PWM definierar styrkretsarna tänd- och släcktidpunkterna för halvledarkomponenterna som skärningspunkterna mellan en trekantspänning och en i längs samma tidsaxel inlagd sinusformad referensspänning (sinusstyrd PWM). I andra PWM-tekniker, exempelvis Danfoss WC och WCplus, utnyttjas andra sätt att definiera tänd- och släcktidpunkterna.


TRANSISTORER

Transistorer klarar höga switchfrekvenser, vilket gör det möjligt att reducera det magnetljud som uppstår på grund av motorns »pulsmagnetisering».
En annan fördel med transistorernas höga switchfrekvens är att moduleringen av frekvensomformarens utgångsspänning blir mycket flexibel.
Frekvensomformarens styrkretsar kan enkelt slå till och från vaxelriktarens transistorer enligt det mönster som passar bäst. Härigenom kan en nära nog sinusformad motorström åstadkommas.

 

Switchfrekvenses inverkan på motorströmmen

Växelriktarens switchfrekvens är en kompromiss. Höga frekvenser kan leda till höga motortemperaturer, eftersom forlusterna i motorn stiger med ökande switchfrekvens. Låga switchfrekvenser kan istället leda till störande ljud från motorn.

Högfrekvenstransistorer kan delas upp i tre huvudtyper:

• bipolära (LTR),
• unipolara (MOS-FET),
• insulated gate-bipolara (IGBT).

IGBT-transistorn uppför sig som en kombination av LTR och MOS-FET, i det den här MOS-FET-transistorns egenskaper pa ingången och LTR-transistorns egenskaper på utgången. Vad gäller effektområde, ledningsformåga, switchfrekvens och enkel styrning lämpar sig IGBT-transistorn mycket väl för moderna frekvensomformare, och är därför den i dag mest använda typen.
I moderna växelriktare med IGBT-transistorer sitter både komponenterna och deras styrkretsar inbyggda i en gjuten modul kallad »Intelligent Power Module» IPM.

 

PULSBREDSMODULERING (PWM)

Pulsbreddsmodulering är den vanligaste metoden för generering av trefasspanning med motsvarande frekvens.
Med PWM slås hela mellankretsspänningen (~V2~x Unet) till och från av effektelektroniken. Pulsbredden och frekvensen kan varieras och härigenom uppnås en variabel utgångsspänning.
Det finns tre huvudtyper av PWM-växelriktare, som skiljer sig åt med avseende på hur switchmonstret bestäms.

1. Sinusstyrd PWM
2. Synkron PWM
3. Asynkron PWM

Varje gren i en trefas PWM-växelriktare har två lägen, till respektive från. Således finns det totalt åtta möjliga tillstånd (23) för växelriktaren, och därmed 8 stycken spänningsvektorer på växelriktarens utgång eller vid den anslutna motorns statorlindning. I fig. visas hur dessa vektorer kan spanna upp en sexhorning.Därvid utgör spetsen av vektorerna 100, 110, 010, 011, 001 och 101 hörnpunkterna, medan vektorerna 000 och 111 får betydelsen av nollvektorer. Switchkombinationerna 000 och 111 ger nämligen samma potential - mellankretsens pluspotential eller dess minuspotential på växelriktarens samtliga tre utgångar. För motorn ger detta i det närmaste samma effekt som en kortslutning av dess anslutningar, i det att den spänning som påtryckes motorlindningarna blir 0 V.

Sinusstyrd PWM

Vid sinusstyrd PWM används en sinusformad referensspänning (Us) för var och en av växelriktarens utgångar. Sinusspänningens periodlängd motsvarar den önskade grundfrekvensen hos utgångsspänningen. De tre referensspänningarna jämförs med en trekantspänning UA (se fig. 2.22).

Halvledarswitcharna slås till och från i skärningspunkterna mellan trekantspänningen och sinusreferensen.
Styrkortet jämför spänningarna och detekterar skärningspunkterna. Om trekantspänningen är högre än sinusspänningen, växlar utgångspulsen från positiv till negativ (eller tvärtom) när trekantspänningen sänks. Frekvensomformarens maximala utgångsspänning bestäms således av mellankretsspänningen. Utgångsspänningen är en funktion av förhållandet mellan tid i tillslaget respektive frånslaget läge, och genom att styra detta förhållande (ändra tiderna) kan utgångsspänningen varieras. Amplituden hos den positiva respektive negativa spänningspulsen motsvarar således halva mellankretsspänningen.

 





Vid låga statorfrekvenser stiger periodtiden och därmed tiden switcharna spärrar. Tiden kan bli så lång att trekantspänningens frekvens inte kan upprätthållas.
Den spänningslösa perioden blir då för lång och motorn kommer att gå ojämnt. För att undvika detta kan man fordubbla trekantspänningens frekvens vid låga frekvenser.
Fasspänningen på frekvensomformarens utgång motsvarar halva mellankretsspänningen dividerad med V§~ och är således lika med halva nätspänningen. Huvudspänningen på frekvensomformarens utgång är V3~ gånger fasspänningen och således lika med 0,866 gånger nätspänningen.
En PWM-växelriktare som arbetar uteslutande med sinusformad referensmodulering kan leverera upp till 86,6% av den nominella spänningen.
Utgångsspänningen kan därför inte nå upp till motorns markspänning, utan kommer att vara cirka 13% för låg.
Den extra spänning som behövs kan emellertid åstadkommas genom minskning av pulsantalet när frekvensen överstiger omkring 45 Hz, men det finns vissa nackdelar med ett sådant förfarande. Det får spänningen att växla stegvis och gör därmed motorströmmen instabil. Om antalet pulser minskas, kommer andelen harmoniska övertoner på frekvensomformarens utgång att öka, vilket leder till större förluster i motorn.
Ett annat sätt att lösa problemet är att utnyttja andra referensspänningar an de tre sinusformade referenserna. Man kan använda en hel mängd olika vågformer, exempelvis trapetsspänning eller fyrkantspänning.
En ofta använd referens är den tredje harmoniska övertonen till sinusreferensen. Genom att öka sinusreferensens amplitud med 15,5% och addera den tredje övertonen, kan man erhålla ett switchmonster som höjer frekvensomformarens utgångsspänning.

 

 


Illustrativa bilder av delar:

 

1. Mellanledskondensatorer. Här är de kopplade två och två i serie
2. Effektresistorer paralellt till kondensatorer. Garanterar att spänningen är jämt fördelad över kondensatorer.
3. Varistorer VDR, skyddar mot spänningsspikar på inkommande kraft.
4. Strömtransformator - mäter utgående ström. 2 st behövs om omriktare ska arbeta i vectormode.
5. IGBT
6. Kablar till likriktare
7. Optokopplare - skickar vidare styrsignaler till gate-drivers för IGBT
8. Switchad power supply
9. Transformator för styrpulser
10. Kabel för bromschopper
11. Förstärkare av styrsignaler för IGBT
12. Konektorer för anslutning av bromsmodulen, fläktar osv.
13. Kabel för anslutning av omriktarens styrkort



1. Mellanledskondensatorer
2. Kondensatorer för EMC filter
3. Induktans för EMC filter
4. Styrkretsar
5. Kylning av IPM


 
 

Copyright © Drivteknik.nu 2007-2018. All rights reserved