Il convertitore di frequenza è un dispositivo che converte la potenza di frequenza industriale (50 Hz o 60 Hz) in potenza CA di varie frequenze per realizzare il funzionamento a velocità variabile dei motori, in cui il circuito di controllo completa il controllo del circuito principale, il circuito raddrizzatore converte la potenza CA in potenza CC, il circuito intermedio CC attenua e filtra l'uscita del circuito raddrizzatore e il circuito inverter inverte la potenza CC nell'alimentazione CA. Per gli inverter a controllo vettoriale, che richiedono molti calcoli, a volte sono necessari una CPU per il calcolo della coppia e alcuni circuiti corrispondenti. La regolazione della velocità dell'inverter si ottiene modificando la frequenza di alimentazione agli avvolgimenti dello statore del motore.
Esistono molti modi per classificare il convertitore di frequenza, in base alla classificazione della modalità di funzionamento del circuito principale, può essere suddiviso in convertitore di frequenza di tipo tensione- e convertitore di frequenza di tipo corrente-; in base alla classificazione della modalità di commutazione, può essere suddiviso in convertitore di frequenza controllato PAM-, convertitore di frequenza controllato PWM- e convertitore di frequenza controllato PWM- ad alta frequenza di carico; in base alla classificazione del principio di funzionamento, può essere suddiviso in convertitore di frequenza controllato V/f-, convertitore di frequenza con controllo della frequenza di rotazione e convertitore di frequenza con controllo vettoriale, ecc.; in base all'utilizzo In base alla classificazione del principio di funzionamento, può essere suddiviso in inverter per uso generico-, inverter speciale ad alte-prestazioni, inverter ad alta-frequenza, inverter mono-fase e inverter trifase-.
VVVF:cambiare tensione, cambiare frequenza CVCF: tensione costante, frequenza costante. L'alimentazione CA utilizzata in vari paesi, sia per le case che per le fabbriche, ha una tensione e una frequenza di 400 V/50 Hz o 200 V/60 Hz (50 Hz) e così via. In generale, un dispositivo che converte la corrente alternata con tensione e frequenza fisse in corrente alternata con tensione o frequenza variabile è chiamato "inverter". Per produrre tensione e frequenza variabili, il dispositivo converte prima la corrente alternata dell'alimentatore in corrente continua (CC).
Gli inverter utilizzati per il controllo del motore possono modificare sia la tensione che la frequenza.
Come funzionano i convertitori di frequenza
Sappiamo che l'espressione della velocità sincrona di un motore CA è:
n = 60 f (1-s)/p (1)
Nella formula
n --- la velocità del motore asincrono;
f --- frequenza del motore asincrono;
s --- velocità di rotazione del motore;
p --- numero di coppie di poli del motore.
Dall'equazione (1), si può vedere che la velocità di rotazione n è direttamente proporzionale alla frequenza f, purché la frequenza f possa essere modificata per modificare la velocità di rotazione del motore, quando la frequenza f viene modificata nell'intervallo da 0 a 50 Hz, l'intervallo di regolazione della velocità del motore è molto ampio. Il convertitore di frequenza modifica la frequenza di alimentazione del motore per realizzare la regolazione della velocità, è un mezzo ideale per una regolazione della velocità ad alta efficienza e ad alte prestazioni.
Modalità di controllo del convertitore di frequenza
La tensione di uscita dell'inverter per uso generale a bassa-tensione- è 380-650 V, la potenza in uscita è 0,75-400 kW, la frequenza di funzionamento è 0-400 Hz e i suoi circuiti principali utilizzano tutti circuiti CA-CC-CA. La sua modalità di controllo è passata attraverso le quattro generazioni successive.
Modalità di controllo SPWM (modulazione di larghezza di impulso sinusoidale) 1U/f=C
Caratterizzato da una struttura semplice del circuito di controllo, costi inferiori, caratteristiche meccaniche di durezza è anche migliore per soddisfare la trasmissione generale di requisiti di velocità fluida, è stato ampiamente utilizzato in vari settori industriali. Tuttavia, questo metodo di controllo a bassa frequenza, a causa della minore tensione di uscita, la coppia dovuta alla caduta di tensione della resistenza statorica è più significativa, pertanto la coppia massima di uscita viene ridotta. Inoltre, le sue caratteristiche meccaniche non sono dure come quelle del motore DC, la capacità di coppia dinamica e le prestazioni di velocità statica non sono soddisfacenti, le prestazioni del sistema non sono elevate, la curva di controllo cambia con il carico, la risposta della coppia è lenta, l'utilizzo della coppia del motore non è elevato, la bassa velocità è dovuta alla resistenza dello statore e all'esistenza dell'effetto zona morta dell'inverter e al degrado delle prestazioni, al deterioramento della stabilità e così via. Pertanto, è stata studiata la regolazione della velocità di conversione della frequenza con controllo vettoriale.
Metodo di controllo del vettore spaziale della tensione (SVPWM).
Si basa sulla premessa dell'effetto di generazione complessivo di forme d'onda trifase, al fine di approssimare la traiettoria circolare ideale del campo magnetico rotante del traferro del motore allo scopo di generare forme d'onda modulate trifase alla volta e controllare l'approssimazione del poligono tangente interno del cerchio. È stato migliorato dopo l'uso pratico, cioè è stata introdotta la compensazione della frequenza, che può eliminare l'errore del controllo della velocità; l'ampiezza della catena magnetica è stimata mediante retroazione, che elimina l'influenza della resistenza statorica alle basse velocità; e la tensione e la corrente di uscita sono-a circuito chiuso per migliorare la precisione e la stabilità della dinamica. Tuttavia, il circuito di controllo ha più collegamenti e non introduce la regolazione della coppia, quindi le prestazioni del sistema non sono sostanzialmente migliorate.
Metodo del controllo vettoriale (VC).
La pratica del controllo della frequenza a controllo vettoriale consiste nel convertire le correnti statoriche Ia, Ib, Ic del motore asincrono nel sistema di coordinate trifase- nelle correnti CA Ia1Ib1 nel sistema di coordinate stazionario bifase -attraverso la trasformazione tri-fase - bifase-e quindi attraverso la trasformazione trasformazione rotatoria in base all'orientamento del campo magnetico del rotore, che è equivalente alle correnti CC Im1, It1 nel sistema di coordinate rotanti sincrono (Im1 è equivalente a (Im1 è equivalente alla corrente di eccitazione del motore CC; It1 è equivalente alla corrente di armatura che è proporzionale alla coppia), quindi imitare il metodo di controllo del motore CC per ottenere la quantità di controllo del motore CC e realizzare il controllo di motore asincrono dopo la corrispondente trasformazione inversa delle coordinate. In sostanza, il motore CA è equivalente a un motore CC e le due componenti di velocità e campo magnetico sono controllate in modo indipendente. Controllando la catena magnetica del rotore e quindi decomponendo la corrente dello statore per ottenere i componenti della coppia e del campo magnetico, attraverso la trasformazione delle coordinate, per realizzare un controllo ortogonale o disaccoppiato. Il metodo di controllo vettoriale proposto è di significato epocale-. Tuttavia, nelle applicazioni pratiche, poiché la catena magnetica del rotore è difficile da osservare con precisione, le caratteristiche del sistema sono fortemente influenzate dai parametri del motore e la trasformazione rotazionale vettoriale utilizzata nel processo di controllo del motore CC equivalente è più complicata, il che rende difficile per l'effetto di controllo effettivo ottenere i risultati dell'analisi ideale.
Metodo di controllo diretto della coppia (DTC).
Nel 1985, il Prof. DePenbrock dell'Università della Ruhr in Germania propose per primo la tecnologia di conversione della frequenza con controllo diretto della coppia. Questa tecnologia ha ampiamente risolto le carenze del controllo vettoriale di cui sopra ed è stata rapidamente sviluppata con nuove idee di controllo, struttura del sistema concisa e chiara ed eccellenti prestazioni dinamiche e statiche. Al momento, questa tecnologia è stata applicata con successo agli azionamenti CA ad alta-potenza per la trazione delle locomotive elettriche. Il controllo diretto della coppia analizza il modello matematico del motore CA direttamente nel sistema di coordinate dello statore per controllare la catena magnetica e la coppia del motore. Non è necessario equiparare il motore CA a un motore CC, eliminando così molti calcoli complessi nella trasformazione della rotazione vettoriale; non è necessario imitare il controllo di un motore CC, né è necessario semplificare il modello matematico del motore CA per il disaccoppiamento.
Metodo di controllo AC Matrix-AC
L'inverter VVVF, l'inverter a controllo vettoriale e l'inverter a controllo diretto della coppia sono tutti tipi di inverter CA-CC-CA. I loro svantaggi comuni sono il basso fattore di potenza in ingresso, le correnti armoniche elevate, la necessità di grandi condensatori di accumulo di energia nel circuito CC e l'energia rigenerativa non può essere reimmessa nella rete, ovvero il funzionamento a quattro-quadranti non è possibile. Per questo motivo è nato l'inverter Matrix AC-AC. Poiché l'inverter AC a matrice-AC elimina il collegamento CC intermedio, eliminando così i condensatori elettrolitici costosi e di grandi dimensioni. Può realizzare il fattore di potenza l, la corrente di ingresso è sinusoidale e può funzionare in quattro quadranti, la densità di potenza del sistema è elevata. La tecnologia non è ancora matura, ma attira ancora molti studiosi verso studi approfonditi. La sua essenza non è controllare indirettamente la corrente, la catena magnetica e altre quantità, ma realizzare la coppia direttamente come quantità controllata. I metodi specifici sono:
--Controllo della catena magnetica dello statore per introdurre l'osservatore della catena magnetica dello statore per realizzare il metodo senza sensore di velocità;
--L'identificazione automatica (ID) si basa su un accurato modello matematico del motore per identificare automaticamente i parametri del motore;
--Calcola il valore effettivo corrispondente all'impedenza dello statore, all'induttanza reciproca, al fattore di saturazione magnetica, all'inerzia, ecc. Calcola la coppia effettiva, la catena magnetica dello statore, la velocità del rotore per il controllo in tempo reale;
--Realizza il controllo Band-Band per generare segnali PWM in base al controllo Band-Band della catena magnetica e della coppia per controllare lo stato di commutazione dell'inverter.
L'inverter Matrix AC-AC ha una risposta di coppia rapida (<2ms), precisione ad alta velocità (±2%, senza feedback PG), elevata precisione di coppia (＜+3%); ha anche un'elevata coppia di avviamento e un'elevata precisione della coppia, soprattutto a basse velocità (comprese le velocità 0), può produrre una coppia del 150% -200%.