Types de convertisseurs de fréquence

Des dispositifs appelés convertisseurs de fréquence sont utilisés pour convertir la tension alternative du secteur avec une fréquence industrielle de 50/60 Hz en tension alternative d'une fréquence différente. La fréquence de sortie du convertisseur de fréquence peut varier considérablement, généralement de 0,5 à 400 Hz. Des fréquences plus élevées sont inacceptables pour les moteurs modernes en raison de la nature des matériaux à partir desquels les noyaux du stator et du rotor sont fabriqués.

Toute sorte Convertisseur de fréquence comprend deux parties principales : commande et alimentation. La partie commande est un circuit d'un microcircuit numérique qui assure le contrôle des interrupteurs de l'unité de puissance, et sert également à contrôler, diagnostiquer et protéger l'entraînement entraîné et le convertisseur lui-même.

La section d'alimentation comprend directement les commutateurs - des transistors puissants ou des thyristors. Dans ce cas, les convertisseurs de fréquence sont de deux types: avec une section en surbrillance de courant continu ou avec une communication directe. Les convertisseurs à couplage direct ont un rendement allant jusqu'à 98 % et peuvent fonctionner avec des tensions et des courants importants.En général, chacun des deux types de convertisseurs de fréquence mentionnés présente des avantages et des inconvénients individuels, et il peut être rationnel d'appliquer l'un ou l'autre pour différentes applications.

Communication directe

Les convertisseurs de fréquence à connexion galvanique directe ont été les premiers à apparaître sur le marché, leur section de puissance est un redresseur à thyristor commandé, dans lequel certains groupes de thyristors à verrouillage sont ouverts à tour de rôle, et les enroulements du stator sont connectés à tour de rôle au réseau. Cela signifie qu'en fin de compte, la tension fournie au stator prend la forme de morceaux d'une onde sinusoïdale de secteur qui sont alimentés en série vers les enroulements.

La tension sinusoïdale est convertie en une tension en dents de scie à la sortie. La fréquence est inférieure à celle du secteur — de 0,5 à environ 40 Hz. Évidemment, la portée de ce type de convertisseur est limitée. Les thyristors sans verrouillage nécessitent des schémas de commande plus complexes, ce qui augmente le coût de ces dispositifs.

Des parties de l'onde sinusoïdale de sortie génèrent des harmoniques plus élevées, et ce sont des pertes supplémentaires et une surchauffe du moteur avec une diminution du couple de l'arbre, de plus, des perturbations non faibles pénètrent dans le réseau. Si des dispositifs de compensation sont utilisés, les coûts augmentent à nouveau, les dimensions et le poids augmentent et l'efficacité du convertisseur diminue.

Les avantages des convertisseurs de fréquence avec couplage galvanique direct incluent :

• la possibilité d'un fonctionnement continu avec des tensions et des courants importants ;
• résistance aux surcharges impulsionnelles ;
• Efficacité jusqu'à 98%;
• applicabilité dans les circuits haute tension de 3 à 10 kV et même plus.

Dans ce cas, les convertisseurs de fréquence haute tension sont bien sûr plus chers que les convertisseurs basse tension. Auparavant, ils étaient utilisés là où ils étaient nécessaires, à savoir des convertisseurs à thyristor à couplage direct.

Avec la connexion DC en surbrillance

Pour les variateurs modernes, les convertisseurs de fréquence avec un bloc CC en surbrillance sont plus largement utilisés à des fins de régulation de fréquence. Ici, la conversion se fait en deux étapes. Tout d'abord, la tension du secteur d'entrée est redressée et filtrée, lissée, puis envoyée à l'onduleur, où elle est convertie en courant alternatif avec la fréquence et la tension requises avec l'amplitude requise.

Le rendement d'une telle double conversion diminue et les dimensions du dispositif deviennent légèrement supérieures à celles des convertisseurs à connexion électrique directe. L'onde sinusoïdale est ici générée par un onduleur de courant et de tension autonome.

Dans les convertisseurs de fréquence de liaison CC, les thyristors à verrouillage ou Transistors IGBT… Les thyristors à blocage étaient principalement utilisés dans les premiers convertisseurs de fréquence fabriqués de ce type, puis, avec l'apparition des transistors IGBT sur le marché, ce sont les convertisseurs basés sur ces transistors qui ont commencé à dominer parmi les appareils basse tension.

Pour allumer le thyristor, une courte impulsion appliquée à l'électrode de commande suffit, et pour l'éteindre, il faut appliquer une tension inverse au thyristor ou remettre à zéro le courant de commutation. Un schéma de contrôle spécial est nécessaire - complexe et dimensionnel. Les transistors IGBT bipolaires ont un contrôle plus flexible, une consommation d'énergie plus faible et une vitesse assez élevée.

Pour cette raison, les convertisseurs de fréquence basés sur des transistors IGBT ont permis d'étendre la plage de vitesses de commande du variateur : les moteurs asynchrones à commande vectorielle basés sur des transistors IGBT peuvent fonctionner en toute sécurité à basse vitesse sans avoir besoin de capteurs de retour.

Les microprocesseurs couplés à des transistors à grande vitesse produisent moins d'harmoniques plus élevées à la sortie que les convertisseurs à thyristors. De ce fait, les pertes s'avèrent plus faibles, les bobinages et le circuit magnétique surchauffent moins, les pulsations rotoriques aux basses fréquences sont réduites. Moins de pertes dans les batteries de condensateurs, dans les transformateurs - la durée de vie de ces éléments augmente. Il y a moins d'erreurs au travail.

Si nous comparons un convertisseur à thyristor avec un convertisseur à transistor avec la même puissance de sortie, le second pèsera moins, sera de plus petite taille et son fonctionnement sera plus fiable et uniforme. La conception modulaire des commutateurs IGBT permet une dissipation thermique plus efficace et nécessite moins d'espace pour le montage des éléments de puissance. De plus, les commutateurs modulaires sont mieux protégés contre les surtensions de commutation, c'est-à-dire que la probabilité de dommages est plus faible.

Les convertisseurs de fréquence basés sur les IGBT sont plus chers car les modules de puissance sont des composants électroniques complexes à fabriquer. Cependant, le prix est justifié par la qualité. Dans le même temps, les statistiques montrent une tendance à la baisse des prix des transistors IGBT chaque année.

Le principe de fonctionnement du convertisseur de fréquence IGBT

La figure montre un schéma d'un convertisseur de fréquence et des graphiques des courants et des tensions de chacun des éléments. Une tension secteur d'amplitude et de fréquence constantes est envoyée au redresseur, qui peut être contrôlé ou non contrôlé. Après le redresseur, il y a un condensateur - un filtre capacitif. Ces deux éléments - un redresseur et un condensateur - forment une unité CC.

Depuis le filtre, une tension constante est maintenant fournie à un inverseur d'impulsions autonome dans lequel fonctionnent les transistors IGBT. Le schéma montre une solution typique pour les convertisseurs de fréquence modernes. La tension continue est convertie en une impulsion triphasée à fréquence et amplitude réglables.

Le système de contrôle donne des signaux opportuns à chacune des touches et les bobines correspondantes sont commutées séquentiellement sur la connexion permanente. Dans ce cas, la durée de connexion des bobines à la connexion est modulée en sinus. Ainsi, dans la partie centrale de la demi-période, la largeur de l'impulsion est la plus grande et sur les bords - la plus petite. ça se passe ici tension de modulation de largeur d'impulsion sur les enroulements du stator du moteur. La fréquence de PWM atteint généralement 15 kHz et les bobines elles-mêmes fonctionnent comme un filtre inductif, de sorte que les courants qui les traversent sont presque sinusoïdaux.

Si le redresseur est contrôlé à l'entrée, le changement d'amplitude se fait en contrôlant le redresseur et l'onduleur n'est responsable que de la conversion de fréquence. Parfois, un filtre supplémentaire est installé à la sortie de l'onduleur pour amortir les ondes de courant (très rarement utilisé dans les convertisseurs de faible puissance).Dans les deux cas, la sortie est une tension triphasée et un courant alternatif avec des paramètres de base définis par l'utilisateur.