تأمینکننده واحد ترمز مبدل فرکانس به شما یادآوری میکند که هر دو مبدل فرکانس نوع جریانی و نوع ولتاژی متعلق به مبدلهای فرکانس AC-DC-AC هستند که از یک یکسوکننده و یک اینورتر تشکیل شدهاند.
با توجه به اینکه بارها عموماً القایی هستند، باید بین منابع تغذیه آنها انتقال توان راکتیو وجود داشته باشد. بنابراین، در لینک DC میانی، نیاز به اجزایی برای بافر کردن توان راکتیو وجود دارد.
اگر از یک خازن بزرگ برای بافر کردن توان راکتیو استفاده شود، یک مبدل فرکانس از نوع منبع ولتاژ تشکیل میشود؛ اگر از یک راکتور بزرگ برای بافر کردن توان راکتیو استفاده شود، یک مبدل فرکانس از نوع منبع جریان تشکیل میشود.
تفاوت بین مبدلهای فرکانس نوع ولتاژی و مبدلهای فرکانس نوع جریانی تنها در شکل فیلتر لینک DC میانی نهفته است. با این حال، این امر منجر به تفاوتهای عملکردی قابل توجهی بین دو نوع مبدل فرکانس میشود، همانطور که در لیست مقایسه زیر نشان داده شده است:
۱. اجزای ذخیره انرژی: مبدل فرکانس از نوع ولتاژ - خازن؛ نوع جریان - راکتور.
۲. ویژگیهای شکل موج خروجی: شکل موج ولتاژ یک موج مستطیلی است، شکل موج جریان تقریباً یک موج سینوسی است؛ مبدل فرکانس نوع جریانی دارای شکل موج مستطیلی برای جریان و یک شکل موج سینوسی تقریبی برای ولتاژ است.
۳. ویژگیهای ترکیب مدار شامل یک منبع تغذیه DC دیود فیدبک به صورت موازی با یک خازن با ظرفیت بالا (منبع ولتاژ با امپدانس پایین) به عنوان نوع ولتاژ است؛ منبع تغذیه DC دیود بدون فیدبک از نوع جریان به صورت سری با یک اندوکتانس بزرگ (منبع جریان با امپدانس بالا) عملکرد موتور را در چهار ربع مدار آسان میکند.
۴. از نظر مشخصات، نوع ولتاژی در صورت اتصال کوتاه شدن بار، اضافه جریان ایجاد میکند و موتورهای حلقه باز نیز میتوانند به صورت پایدار کار کنند؛ نوع جریانی میتواند در صورت اتصال کوتاه شدن بار، اضافه جریان را سرکوب کند و برای عملکرد ناپایدار موتور، کنترل بازخورد مورد نیاز است.
اینورترهای منبع جریان از تریستورهای با کموتاسیون طبیعی به عنوان سوئیچهای قدرت استفاده میکنند که اندوکتانس سمت DC گرانقیمتی دارند و در تنظیم سرعت تغذیه دوگانه استفاده میشوند. آنها در سرعتهای بیش از سنکرون به مدارهای کموتاسیون نیاز دارند و در فرکانسهای لغزش پایین عملکرد ضعیفی دارند.
ویژگیهای ساختاری مبدل فرکانس
لینک DC مبدل فرکانس نوع جریانی به دلیل استفاده از اجزای القایی نامگذاری شده است که مزیت قابلیت عملکرد چهار ربعی را دارد و به راحتی میتواند عملکرد ترمز موتور را انجام دهد. عیب آن این است که نیاز به کموتاسیون اجباری پل اینورتر دارد و ساختار دستگاه پیچیده است که تنظیم را دشوار میکند. علاوه بر این، به دلیل استفاده از یکسوسازی تغییر فاز تریستوری در سمت شبکه برق، هارمونیکهای جریان ورودی نسبتاً بزرگ هستند که در صورت بزرگ بودن ظرفیت، تأثیر خاصی بر شبکه برق خواهد داشت.
۲. مبدل فرکانس نوع ولتاژی به دلیل استفاده از اجزای خازنی در لینک DC مبدل فرکانس نامگذاری شده است. ویژگی آن این است که نمیتواند در چهار ربع کار کند. وقتی موتور بار نیاز به ترمز دارد، باید یک مدار ترمز جداگانه نصب شود. وقتی توان زیاد است، باید یک فیلتر موج سینوسی به خروجی اضافه شود.
۳. مبدل فرکانس جریان بالا از اجزای GTO، SCR یا IGCT به صورت سری برای دستیابی به تبدیل فرکانس ولتاژ بالای مستقیم، با ولتاژ جریان تا ۱۰ کیلوولت، استفاده میکند. به دلیل استفاده از اجزای القایی در لینک DC، به جریان به اندازه کافی حساس نیست و باعث میشود کمتر در معرض خطاهای اضافه جریان قرار گیرد. اینورتر همچنین در عمل قابل اعتماد است و عملکرد حفاظتی خوبی دارد. سمت ورودی از یکسوسازی کنترلشده فاز تریستوری استفاده میکند و هارمونیکهای جریان ورودی نسبتاً بزرگ هستند. هنگامی که ظرفیت مبدل فرکانس زیاد است، باید آلودگی شبکه برق و تداخل با تجهیزات الکترونیکی ارتباطی در نظر گرفته شود. مدار متعادلسازی و بافر ولتاژ از نظر فنی پیچیده و پرهزینه است. به دلیل تعداد زیاد اجزا و حجم دستگاه، تنظیم و نگهداری نسبتاً دشوار است. پل اینورتر از کموتاسیون اجباری استفاده میکند و مقدار زیادی گرما تولید میکند که نیاز به حل مشکل اتلاف گرما در اجزا دارد. مزیت آن در توانایی آن در عملکرد در چهار ربع و ترمز است. لازم به ذکر است که این نوع مبدل فرکانس به دلیل ضریب توان ورودی پایین و هارمونیکهای ورودی و خروجی بالا، نیازمند نصب خازنهای خودترمیمی ولتاژ بالا در سمت ورودی و خروجی خود است.
۴. ساختار مدار اینورتر ولتاژ بالا از فناوری سری مستقیم IGBT استفاده میکند که به عنوان اینورتر ولتاژ بالای سری مستقیم نیز شناخته میشود. این اینورتر از خازنهای ولتاژ بالا برای فیلتر کردن و ذخیره انرژی در لینک DC با ولتاژ خروجی تا ۶ کیلوولت استفاده میکند. مزیت آن این است که میتواند از دستگاههای قدرت مقاوم در برابر ولتاژ پایینتر استفاده کند و همه IGBT های روی بازوی پل سری عملکرد یکسانی دارند که امکان طراحی پشتیبان متقابل یا افزونه را فراهم میکند. عیب آن این است که تعداد سطوح نسبتاً کم است، فقط دو سطح، و ولتاژ خروجی dV/dt نیز زیاد است که نیاز به استفاده از موتورهای ویژه یا فیلترهای موج سینوسی ولتاژ بالا دارد که هزینه را به میزان قابل توجهی افزایش میدهد. این اینورتر عملکرد چهار ربعی ندارد و در هنگام ترمزگیری باید یک واحد ترمز جداگانه نصب شود. این نوع مبدل فرکانس همچنین باید مشکل برابرسازی ولتاژ دستگاه را حل کند که عموماً نیاز به طراحی ویژه مدارهای درایو و مدارهای بافر دارد. همچنین الزامات بسیار دقیقی برای تأخیر مدارهای درایو IGBT وجود دارد. هنگامی که زمان روشن و خاموش شدن IGBT با هم هماهنگ نباشد، یا شیب لبههای بالارونده و پایینرونده خیلی متفاوت باشد، باعث آسیب به دستگاههای برق خواهد شد.
انواع مختلفی از اینورترهای ولتاژ بالا وجود دارد و روشهای طبقهبندی آنها نیز متنوع است. بر اساس اینکه آیا بخش DC در حلقه میانی وجود دارد یا خیر، میتوان آن را به مبدلهای فرکانس AC/AC و مبدلهای فرکانس AC-DC-AC تقسیم کرد. بر اساس خواص جزء DC، میتوان آن را به مبدلهای فرکانس از نوع جریانی و ولتاژی تقسیم کرد.
مبدل فرکانس نوع جریان
این نوع مبدل فرکانس که به دلیل استفاده از اجزای القایی در لینک DC مبدل فرکانس نامگذاری شده است، دارای مزیت عملکرد چهار ربعی است و به راحتی میتواند عملکرد ترمز موتور را انجام دهد. عیب آن این است که نیاز به کموتاسیون اجباری پل اینورتر دارد و ساختار دستگاه پیچیده است که تنظیم را دشوار میکند. علاوه بر این، به دلیل استفاده از یکسوسازی تغییر فاز تریستوری در سمت شبکه برق، هارمونیکهای جریان ورودی نسبتاً بزرگ هستند که در صورت بزرگ بودن ظرفیت، تأثیر خاصی بر شبکه برق خواهد داشت.
مبدل فرکانس نوع ولتاژ
این نوع مبدل فرکانس که به دلیل استفاده از اجزای خازنی در لینک DC مبدل فرکانس نامگذاری شده است، ویژگی آن این است که نمیتواند در چهار ربع کار کند. هنگامی که موتور بار نیاز به ترمز دارد، باید یک مدار ترمز جداگانه نصب شود. هنگامی که توان زیاد است، باید یک فیلتر موج سینوسی به خروجی اضافه شود.
۱. تفاوت بین نوع ولتاژی و نوع جریانی چیست؟
مدار اصلی مبدل فرکانس را میتوان تقریباً به دو دسته تقسیم کرد: نوع ولتاژی، مبدل فرکانسی است که DC منبع ولتاژ را به AC تبدیل میکند و فیلتر مدار DC آن یک خازن است؛ نوع جریانی، مبدل فرکانسی است که DC منبع جریان را به AC تبدیل میکند و فیلتر مدار DC آن یک سلف است.
۲. چرا ولتاژ و جریان مبدل فرکانس به طور متناسب تغییر میکند؟
گشتاور یک موتور آسنکرون توسط برهمکنش بین شار مغناطیسی موتور و جریان عبوری از روتور ایجاد میشود. در فرکانس نامی، اگر ولتاژ ثابت باشد و فقط فرکانس کاهش یابد، شار مغناطیسی خیلی بزرگ خواهد بود، مدار مغناطیسی اشباع میشود و در موارد شدید، موتور خواهد سوخت. بنابراین، فرکانس و ولتاژ باید به طور متناسب تغییر کنند، یعنی هنگام تغییر فرکانس، ولتاژ خروجی مبدل فرکانس باید کنترل شود تا شار مغناطیسی خاصی از موتور حفظ شود و از وقوع پدیدههای مغناطیس ضعیف و اشباع مغناطیسی جلوگیری شود. این روش کنترل معمولاً برای مبدلهای فرکانس صرفهجویی در انرژی در فنها و پمپها استفاده میشود.