Convertizorul de frecvență

Convertizorul de frecvență este un echipament electronic care comandă și controlează viteza de rotație a unui motor de curent alternativ prin reglarea frecvenței și mărimii tensiunii de alimentare a motorului.Viteza unui motor asincron depinde de numărul de poli ai motorului si de frecventa tensiunii aplicate acestuia. Amplitudinea tensiunii aplicate, precum si sarcina motorului influenţează de asemenea viteza motorului, insa nu in aceeaşi măsura. Ca urmare, variind frecventa tensiunii aplicate motorului este cea mai buna metoda de a controla viteza motorului.

Principiul constructivConvertizoarele de frecvență electronice sunt principial construite din trei etaje integrate logic printr-un circuit de comandă și control care lucrează conform cu cerințele aplicației. Cele 3 etaje ale echipamentului sunt:

Un etaj redresor, care este conectat la rețeaua de alimentare mono/trifazată și care generează la ieșire spre etajul următor o tensiune de curent continuu, pulsatorie.

Un etaj intermediar, care are rolul de a filtra tensiunea pulsatorie de la ieșirea redresorului. Are în componență un circuit condensator pentru netezirea tensiunii continue pulsatorii și un circuit inductiv (inductivitate) pentru deparazitare de impulsuri distorsionante.

Un etaj de conversie din curent continuu în curent alternativ, care în continuarea etajului intermediar transformă tensiunea continuă în tensiune alternativă de amplitudine și frecvență variabile.

Principiul de funcţionare este de a converti tensiunea de

la reţea (3 x 400 V, 50Hz) intr-o tensiune continua, apoi

utilizând un circuit intermediar de stocare a energiei sub

forma unei baterii de condensatoare de a converti aceasta

tensiune continua intermediara intr-o tensiune alternativa

cu alţi parametri de amplitudine si frecventa. Succesiunea

de transformări de la o tensiune alternativa, la una

continua si apoi din nou la una alternativa a făcut ca in

literatura de specialitate, convertizorul de frecventa sa fie

numit si invertor, deoarece “inversează” de doua ori forma

de energie absorbita din reţeaua de alimentare naţionala

(alternativ – continuu – alternativ).

Schema bloc

Comanda tranzistoarelor invertorului este dată de un microprocesor și are la bază metoda modulării în lățime a impulsurilor

(în engleză PWM - Pulse Width Modulation). Tranzistoarele sunt de obicei de tip IGBT (în engleză Insulated Gate Bipolar

Transistor), și ele comută la frecvențe de ordinul 10-20 kilohertzi. Mărirea acestei frecvențe produce un curent mai

“sinusoidal” prin motor, însă proporțional cresc și pierderile de comutație; alt dezavantaj este reducerea lungimii maxime

permise a cablului electric dintre variator și motor.

În același timp cu frecvența se modifică și valoarea tensiunii, pentru a păstra un cuplu dezvoltat de motor constant. De

exemplu, dacă motorul operează în regim nominal la 400V și 50Hz, când reducem viteza lui la jumătate, deci frecvența la

25Hz, tensiunea de alimentare va fi scăzută de variator, în mod automat, la 200V. De reținut că tensiunea este formată de

fapt din pulsuri, reducerea tensiunii însemnând de fapt reducerea lățimii pulsurilor. Funcționarea la viteze (frecvențe) peste

cea nominală este posibilă; în acest caz tensiunea va rămâne constantă, ceea ce va conduce la o scădere a cuplului

dezvoltat de motor. Variatoarele de frecvență pot funcționa în buclă deschisă sau buclă închisă. În buclă deschisă înseamnă

că nu au nici o informație despre viteza reală a motorului acționat. În acest caz se folosește o modelare matematică a

motorului, în memoria microprocesorului, astfel încât în funcție de curentul absorbit de acesta se poate face o estimare a

vitezei sale. Această metodă funcționează bine peste frecvențe de 10 Hz. Pentru o bună funcționare în tot domeniul de

turație se folosesc encodere montate pe motor, care trimit microprocesorului poziția rotorului în timp real (funcționare în buclă

închisă). Controlul vitezei prin metoda U/f (tensiune/frecventa) este foarte important, deoarece permit integrarea in multe

aplicaţii.

Blocurile funcţionale ce compun un convertizor de frecventa sunt următoarele:

A. Electronica de putere Filtrul RFI (Radio Frequency Interference) Puntea rectificatoare Circuitul intermediar Circuitul de protecţie Invertorul

B. Electronica de control Driverul Modulatorul sinusoidal Circuitul de măsura Procesorul Interfaţa cu utilizatorul

A. Electronica de putere

1. Filtrul RFI face posibila blocarea armonicelor (perturbaţii) de un nivel ridicat înspre reţeaua de alimentare, armonice ce ar putea provoca funcţionarea defectuoasa a altor echipamente. De asemenea filtrul RFI blochează si perturbaţiile care vin din reţea, generate de alte echipamente, protejând astfel convertizorul atât pentru o funcţionare corecta, cat si împotriva distrugerii anumitor componente electronice ale acestuia.2. Puntea rectificatoare transforma tensiunea alternativa intr-o tensiune continua, energia sub aceasta forma fiind stocata in circuitul intermediar. Transferul de energie de la puntea rectificatoare la circuitul intermediar este foarte neuniform, având ca o consecinţa directa absorbirea unui curent nesinusoidal de la reţea de câtre convertizorul de frecventa (cum ar fi in cazul in care motorul asincron ar fi cuplat direct la reţea). Curentul absorbit de convertizorul de frecventa consta din pulsuri de durata scurta, având amplitudine mare. 3. Circuitul intermediar conţine câteva capacitaţi, in care puntea rectificatoare “depozitează” energia absorbita din reţea si de unde invertorul absoarbe energia pe care o debitează către motor. Intre puntea rectificatoare si circuitul intermediar exista o bobina de soc, al cărei rol este de a “netezi” forma de unda nesinusoidala despre care am discutat la paragraful precedent si totodată de a reduce valoarea maxima a curentului de încărcare a capacitaţilor. Prin aceasta se asigura un timp de viata mai lung al capacitaţilor, precum si proprietăţi de compatibilitate electromagnetica mai bune ale convertizorului de frecventa.4. Circuitul de protecţie - când convertizorul de frecventa este conectat la reţea, circuitul intermediar trebuie sa se încarce cu energie, pentru a atinge tensiunea nominala de funcţionare. Prima încărcare nu trebuie sa se producă prea repede, deoarece ar putea provoca o supratensiune in circuitul intermediar. De asemenea, încărcarea unei capacitaţi prea repede are ca rezultat un vârf de curent in reţeaua de alimentare, fapt ce poate determina arderea siguranţelor de protecţie a convertizorului. Pentru a realiza o încărcare lenta se înseriază o rezistenta in acest circuit. Când tensiunea continua a atins nivelul nominal de funcţionare, rezistenta este scurtcircuitata de activarea unui tranzistor aflat in paralel cu aceasta. In decursul funcţionarii normale tranzistorul scurtcircuitează rezistenta, asigurând o încărcare normala a capacitaţii, fără pierderi notabile de energie.5. Invertorul - toate cele 6 tranzsitoare care comuta in urma comenzilor venite de la circuitul de control au cate o dioda in paralel si sunt aranjaţi pe trei ramuri, fiecare ramura conţinând doua tranzistoare. Punctele centrale ale celor 3 ramuri sunt conectate la bornele motorului, făcând posibila conectarea unei borne a motorului fie la o borna pozitiva fie la una negativa a invertorului care produce o forma de unda dreptunghiulara cu factor de umplere variabil.

Valoarea medie a acestei forme de unde este aproximativ sinusoidala, având frecventa si amplitudinea dorite. Tensiunea aplicata la bornele motorului este variata prin varierea factorului de umplere, fara a schimba frecventa. Acest principiu se numeşte PWM (Pulse Widht Modulation, adică modularea prin varierea factorului de unda al unei forme de unde dreptunghiulare) si este cel mai folosit in convertizoarele de frecventa actuale, curentul absorbit de motor fiind aproape sinusoidal.

B. Electronica de control

6. Driverul - toate tranzistoarele din circuitul invertor si din circuitul de protecţie sunt comandate de un singur circuit, circuitul driver. Rolul acestui circuit este sa comute tranzistoarele intr-o maniera sigura, care sa evite hazardul combinational. In

eventualitatea unei suprasarcini, acest circuit are rolul de a detecta si opri funcţionarea înainte ca echipamentele sa intre intr-o stare critica de funcţionare.7. Modulatorul sinusoidal - acest circuit generează modelul pe care trebuie sa il urmeze in comutare cele 6 tranzistoare ale invertorului, in urma comenzilor primite de la circuitul driver pentru a obţine tensiunea dorita la motor.8. Circuitul de măsura monitorizează parametrii electrici ai curentului si tensiunii, pentru a asigura funcţionarea corecta a convertizorului de frecventa si a motorului pe care acesta îl deserveşte. De asemenea acest circuit măsoară temperatura in punctele critice ale convertizorului de frecventa, in zona de putere a acestuia. Procesorul preia toate aceste date si ia masurile care se impun (de exemplu opreşte convertizorul de frecventa in cazul in care se atinge o temperatura prea mare a acestuia).9. Procesorul se ocupa cu controlul general al funcţionarii convertizorului de frecventa, cum ar fi rampa de pornire sau de oprire, interpretarea semnalelor start/stop, protecţia motorului si tratarea erorilor. In acelaşi timp se ocupa si cu controlul aplicaţiei in care este integrat convertizorul de frecventa. 10. Interfaţa cu utilizatorul - întreaga comunicaţie dintre convertizorul de frecventa si alte echipamente sau utilizatorii umani se desfasoara prin intermediul aceasta interfaţa. Aici semnalele foarte sensibile din electronica de control sunt transformate in semnale industriale standard (0 – 20mA, 4 – 20mA, 0 – 10V, etc) sau protocoale de comunicaţie (Modbus, Profibus, DeviceNet, EtherNet/IP, etc).