周波数変換器の種類

周波数コンバータと呼ばれるデバイスは、50/60 Hz の工業用周波数の主 AC 電圧を、異なる周波数の AC 電圧に変換するために使用されます。周波数変換器の出力周波数は、通常 0.5 ～ 400 Hz まで幅広く変化します。ステーター コアとローター コアの材料の性質により、より高い周波数は現代のモーターには受け入れられません。

いずれかの種類 周波数変換器 制御と電源という 2 つの主要部分が含まれています。制御部分は、電源ユニットのスイッチの制御を提供するデジタル超小型回路の回路であり、駆動されるドライブとコンバータ自体の制御、診断、保護にも役立ちます。

電源セクションには、強力なトランジスタまたはサイリスタであるスイッチが直接含まれています。この場合、周波数変換器には 2 つのタイプがあります。直流の強調表示セクションを備えたものと、直接通信を備えたものです。直接結合コンバータは最大 98% の効率を持ち、かなりの電圧と電流で動作できます。一般に、前述の 2 種類の周波数変換器にはそれぞれ長所と短所があり、異なる用途にはどちらかを適用するのが合理的です。

ダイレクトコミュニケーション

直接ガルバニック接続を備えた周波数変換器が初めて市場に登場しました。その電力セクションは制御されたサイリスタ整流器であり、ロック サイリスタの特定のグループが順番に開き、固定子巻線が順番にネットワークに接続されます。これは、最終的にステータに供給される電圧が、巻線に直列に供給される主電源正弦波として整形されることを意味します。

正弦波電圧は出力で鋸歯状電圧に変換されます。周波数は主電源よりも低く、0.5 ～約 40 Hz です。明らかに、このタイプのコンバータの範囲は限られています。非ロック サイリスタはより複雑な制御方式を必要とするため、これらのデバイスのコストが増加します。

出力正弦波の一部は高調波を生成します。これらは追加の損失と、シャフトトルクの減少に伴うモーターの過熱であり、さらに、弱い外乱がネットワークに入ります。補償デバイスを使用すると、やはりコストが増加し、寸法と重量が増加し、コンバータの効率が低下します。

直接ガルバニック結合を備えた周波数コンバータの利点は次のとおりです。

• かなりの電圧と電流での連続動作の可能性。
• インパルス過負荷耐性。
• 最大98%の効率。
• 3 ～ 10 kV、さらにはそれ以上の高電圧回路にも適用可能です。

この場合、高電圧周波数変換器は、当然、低電圧周波数変換器よりも高価になります。以前は、必要に応じて、つまり直接結合されたサイリスタ コンバータが使用されていました。

DC 接続が強調表示された状態

最新のドライブでは、強調表示された DC ブロックを備えた周波数コンバータが周波数調整の目的でより広く使用されています。ここでは、変換は 2 つのステップで行われます。まず、入力主電圧が整流、フィルタリング、平滑化されてからインバータに供給され、そこで必要な周波数と必要な振幅の交流に変換されます。

このような二重変換の効率は低下し、デバイスの寸法は直接電気接続を備えたコンバータの寸法よりわずかに大きくなります。ここでは、自律的な電流および電圧インバーターによって正弦波が生成されます。

DC リンク周波数コンバータでは、ラッチング サイリスタまたは IGBTトランジスタ… ロッキング サイリスタは、このタイプの最初に製造された周波数コンバータで主に使用されていましたが、その後、IGBT トランジスタが市場に登場すると、これらのトランジスタをベースにしたコンバータが低電圧デバイスで主流となり始めました。

サイリスタをオンするには、制御電極に短いパルスを印加するだけで十分ですが、オフするには、サイリスタに逆電圧を印加するか、スイッチング電流をゼロにリセットする必要があります。複雑かつ多次元的な特別な制御スキームが必要です。バイポーラ IGBT トランジスタは、より柔軟な制御、低消費電力、および非常に高速な制御を備えています。

このため、IGBT トランジスタをベースとした周波数コンバータにより、駆動制御速度の範囲を拡大することが可能になりました。IGBT トランジスタをベースとした非同期ベクトル制御モーターは、フィードバック センサーを必要とせずに、低速でも安全に動作できます。

高速トランジスタと結合されたマイクロプロセッサは、サイリスタ コンバータよりも出力で高調波の発生が少なくなります。その結果、損失が小さくなり、巻線と磁気回路の過熱が少なくなり、低周波でのローターの脈動が減少します。コンデンサバンクや変圧器の損失が減り、これらの要素の耐用年数が長くなります。仕事でのミスも減りました。

同じ出力電力でサイリスタコンバータとトランジスタコンバータを比較すると、後者の方が重量が軽く、サイズが小さく、動作の信頼性と均一性が高くなります。 IGBT スイッチのモジュラー設計により、より効率的な熱放散が可能になり、パワー素子の取り付けに必要なスペースが少なくなります。さらに、モジュラー スイッチはスイッチング サージからより適切に保護され、損傷の可能性が低くなります。

パワーモジュールは製造が複雑な電子部品であるため、IGBT に基づく周波数コンバータはより高価になります。ただし、価格は品質によって正当化されます。同時に、統計によると、IGBT トランジスタの価格は年々低下する傾向にあります。

IGBT周波数コンバータの動作原理

図は周波数変換器の図と各素子の電流と電圧のグラフを示しています。一定の振幅と周波数の主電源電圧が整流器に供給されますが、整流器は制御されることも制御されないこともあります。整流器の後にはコンデンサ、つまり容量性フィルタがあります。これら 2 つの要素 (整流器とコンデンサ) が DC ユニットを形成します。

フィルタから、IGBT トランジスタが動作する自律パルス インバータに定電圧が供給されます。この図は、最新の周波数変換器の典型的なソリューションを示しています。直流電圧は、周波数と振幅が調整可能な三相パルスに変換されます。

制御システムは各キーにタイムリーな信号を送り、対応するコイルが順次永久接続に切り替わります。この場合、コイルを接続部に接続する期間は正弦波に変調されます。したがって、半周期の中央部分ではパルスの幅が最大になり、端ではパルスの幅が最小になります。それはここで起こっています パルス幅変調電圧 モーターの固定子巻線に。 PWM の周波数は通常 15 kHz に達し、コイル自体が誘導フィルターとして機能するため、コイルを流れる電流はほぼ正弦波になります。

整流器が入力で制御されている場合、振幅の変更は整流器を制御することによって行われ、インバータは周波数変換のみを担当します。場合によっては、電流波を減衰させるためにインバーターの出力に追加のフィルターが取り付けられることがあります (これが低電力コンバーターで使用されることは非常にまれです)。いずれの場合も、出力はユーザー定義の基本パラメータを備えた三相電圧と AC 電流です。