¿Qué es la tecnología de conversión de frecuencia?
1 Desarrollo de la tecnología de conversión de frecuencia
Con el desarrollo continuo de la tecnología microelectrónica, la tecnología de la electrónica de potencia y la tecnología de control automático, la tecnología de conversión de frecuencia también se ha desarrollado rápidamente y se ha utilizado ampliamente. Al principio, la tecnología de conversión de frecuencia se usaba principalmente para rectificación y fuentes de alimentación ajustables AC-DC, pero ahora se ha utilizado ampliamente en transmisión de CC de alto voltaje, conexiones de fuentes de alimentación multifrecuencia, compensación y absorción de potencia reactiva estática, etc. Los campos de aplicación cubren todos los aspectos de la producción y la vida social, como el transporte, la industria petrolera, los electrodomésticos, la defensa nacional y los asuntos militares. Utilizado en transporte, como ferrocarriles de alta velocidad, trenes maglev superconductores, vehículos eléctricos, robots, etc. , en la industria petrolera, como producción de petróleo y regulación de velocidad, desplazamiento ultrasónico de aceite, etc. , en electrodomésticos, como aires acondicionados inverter, lavadoras inverter, hornos microedredones inverter, refrigeradores inverter, etc. , y en el ámbito militar, como comunicaciones militares, navegación, radar, etc.
El desarrollo de la tecnología de conversión de frecuencia se basa principalmente en el desarrollo de dispositivos electrónicos de potencia, y ha pasado por las siguientes generaciones:
La primera generación de dispositivos electrónicos de potencia está representada por los tiristores. (década de 1950). En 1956, Bell Labs inventó el tiristor y, en 1958, General Electric lanzó un producto comercial. Los tiristores son dispositivos de conmutación controlados por corriente que pueden lograr un pequeño control de corriente y una conversión de alta potencia, pero la frecuencia de conmutación es baja y no pueden apagarse por sí solos después de encenderlos.
La segunda generación de dispositivos electrónicos de potencia está representada por los transistores gigantes (GTR) y los tiristores de puerta y apagado (GTO) (década de 1960). El tiristor de apagado de puerta es un dispositivo de conmutación de apagado automático en modo actual que puede realizar fácilmente funciones de conversión de frecuencia como rectificación, corte e inversión. Su frecuencia de conmutación está entre 1 ~ 5 kHz.
La tercera generación de dispositivos electrónicos de potencia está representada por el transistor bipolar de puerta aislada (GBT) (años 70). El transistor bipolar de puerta aislada es un dispositivo electrónico de potencia de apagado automático controlado por voltaje con una frecuencia de conmutación muy alta, que alcanza 20~20~200kHz. Su aplicación permite alta frecuencia, alta eficiencia y miniaturización de equipos eléctricos.
La cuarta generación de dispositivos electrónicos de potencia está representada por los circuitos integrados de potencia inteligentes (PIC) y los módulos de potencia inteligentes (IPM) (en las décadas de 1980 y 1990). Realizan una frecuencia de conmutación de alta velocidad, alta eficiencia con bajo voltaje de encendido e integración de dispositivos de potencia. También pueden integrar funciones de control lógico, protección, detección y medición.
La dirección de desarrollo de la tecnología de conversión de frecuencia es alto voltaje, gran capacidad, alta frecuencia, modularización de componentes, miniaturización, inteligencia y bajo costo.
2 tipos de tecnología de conversión de frecuencia
La tecnología de conversión de frecuencia se puede dividir en los siguientes tipos:
(1) Tecnología de conversión de frecuencia AC-DC: también llamada Tecnología de rectificación, se utiliza un circuito rectificador para convertir energía de CA en energía de CC.
(2) Tecnología de conversión de frecuencia CC-CC: también conocida como tecnología chopper, utiliza un circuito chopper para convertir la energía CC en energía de pulso CC y cambia la efectividad de la potencia de pulso CC ajustando la frecuencia. o ancho del valor del pulso.
(3) Tecnología de conversión de frecuencia CC-CA: también conocida como tecnología inversora, utiliza un circuito inversor para convertir la energía CC en energía CA.
(4) Tecnología de conversión de frecuencia AC-AC: también conocida como tecnología de cambio de fase. Utiliza un circuito de conversión de frecuencia CA-CA para convertir energía CA de una frecuencia en energía CA de otra frecuencia.
3 Introducción a los convertidores de frecuencia
La aplicación de los convertidores de frecuencia en China comenzó a finales de los años 80. Debido al excelente rendimiento de los convertidores de frecuencia, así como a los buenos efectos de ahorro de energía, el uso de convertidores de frecuencia está aumentando, con una rápida tasa de crecimiento del 20% cada año. Hasta el momento no existe una definición exacta de convertidor de frecuencia, pero según su función, puede entenderse como un dispositivo eléctrico automatizado que cambia el valor de frecuencia y el valor de voltaje de la fuente de alimentación del motor. El convertidor de frecuencia está compuesto por dispositivos electrónicos de potencia, componentes electrónicos y microprocesador (CPU). El convertidor de frecuencia es un equipo eléctrico típico que utiliza tecnología de conversión de frecuencia. La función principal del convertidor de frecuencia es convertir energía CA de frecuencia industrial (50 Hz o 60 Hz) en energía CA de frecuencia variable para el suministro de energía y controlar la velocidad del motor cambiando la frecuencia de la fuente de alimentación de salida. Porque la electrónica y la ingeniería eléctrica nos dicen que existe una cierta correspondencia entre la velocidad del motor y la energía consumida.
En términos generales, cuanto más rápido gira el motor, más energía consume; por el contrario, cuanto más lento gira el motor, menos energía consume. Según este principio, el convertidor de frecuencia puede ajustar y controlar la velocidad del motor en tiempo real a través del microprocesador del convertidor de frecuencia para lograr un ahorro de energía.
1) Apariencia del inversor
Como se muestra en la Figura 4-51, se enumeran las formas físicas de varios convertidores de frecuencia comunes.
Figura 4-51 La apariencia física de varios convertidores de frecuencia comunes
2) Método de regulación de velocidad de un motor asíncrono
Al observar el devanado del estator de un motor asíncrono trifásico Cuando se aplica corriente alterna trifásica, el devanado del estator generará un campo magnético giratorio La velocidad de rotación n0 del campo magnético giratorio tiene la siguiente relación con la frecuencia f de la fuente de alimentación de CA y el número. de polos p del motor:
La velocidad de rotación n del rotor del motor (es decir, la velocidad del motor) es ligeramente menor que la velocidad n0 del campo magnético giratorio (también llamada velocidad sincrónica). los dos se denominan deslizamiento S. La velocidad del motor es:
Dado que el deslizamiento S es muy pequeño, generalmente es 0,01 ~ 0,05. Para facilitar el cálculo, la velocidad del motor se puede considerar aproximadamente como. ser la misma que la velocidad del campo magnético de rotación del estator, es decir, la velocidad del motor es aproximadamente:
De la fórmula (4-3), se puede ver que la velocidad del motor asíncrono trifásico n está relacionado con la frecuencia f de la fuente de alimentación de CA y el número de polos p del motor. Cuando cambia la frecuencia f de la fuente de alimentación de CA, la velocidad del motor también cambiará. El método de ajustar la velocidad del motor cambiando el número de par de polos p del motor se denomina regulación de velocidad por cambio de polos. El método de ajustar la velocidad del motor cambiando la frecuencia de la fuente de alimentación de CA se denomina regulación de velocidad de frecuencia variable. El convertidor de frecuencia ajusta la velocidad del motor cambiando la frecuencia de la fuente de alimentación de CA.
4 Diagrama de bloques del convertidor de frecuencia
La función del convertidor de frecuencia es convertir energía CA de frecuencia industrial (50 Hz o 60 Hz) en fuente de alimentación CA de frecuencia variable para su uso cambiando la frecuencia de La fuente de alimentación de CA controla la velocidad del motor. Existen muchos tipos de convertidores de frecuencia, divididos principalmente en dos categorías: convertidores de frecuencia AC-DC-AC y convertidores de frecuencia AC-AC.
1) Inversor AC DC AC
El inversor AC-DC-AC primero convierte la energía de frecuencia industrial en energía CC y luego convierte la energía CC en energía CA de frecuencia variable. al motor y la velocidad del motor se controla ajustando la frecuencia de la fuente de alimentación de salida. El diagrama de bloques del inversor AC-DC-AC se muestra en la Figura 4-52.
El principio de funcionamiento del inversor AC-DC-AC se describirá con referencia a la Figura 4-52.
Figura 4-52 Diagrama de bloques del inversor CA-CC-CA
La energía CA de frecuencia industrial se convierte en CC pulsante a través del circuito rectificador después de que la CC es filtrada y suavizada. circuito intermedio, se envía al circuito inversor. Bajo el control del circuito de control, el circuito inversor convierte la corriente continua en corriente alterna con frecuencia variable, la envía al motor y lo hace funcionar. Cambiar la frecuencia de la salida de CA del circuito inversor cambiará la velocidad del motor en consecuencia.
El circuito rectificador, el circuito intermedio y el circuito inversor en el convertidor de frecuencia son los circuitos principales utilizados para completar la conversión CA-CC-CA y funcionar en un estado de alto voltaje y alta corriente. El circuito de control es el centro de control del convertidor de frecuencia. Cuando recibe la señal de comando del dispositivo de ajuste de entrada o interfaz de comunicación, enviará la señal de control correspondiente para controlar el circuito principal para que el circuito principal funcione de acuerdo con los requisitos establecidos. Al mismo tiempo, el circuito de control también enviará configuraciones relevantes y señales de estado de la máquina al dispositivo de visualización para mostrar información relevante para facilitar a los usuarios operar o comprender el estado de funcionamiento del inversor.
El dispositivo de visualización del convertidor de frecuencia generalmente utiliza una pantalla de visualización y luces indicadoras; el dispositivo de ajuste de entrada incluye principalmente botones, interruptores y perillas. La interfaz de comunicación se utiliza para comunicarse con otros dispositivos (como el controlador programable PLC), recibir la información enviada por ellos y enviar la información relevante del convertidor de frecuencia a estos dispositivos. Además, el convertidor de frecuencia tiene otras interfaces a través de las cuales se pueden ampliar algunas funciones del convertidor de frecuencia, como una resistencia de frenado externa, un medidor de frecuencia externo, etc.
2) Convertidor de frecuencia CA-CA
El convertidor de frecuencia CA-CA convierte directamente la fuente de alimentación de frecuencia industrial en una fuente de alimentación de CA de frecuencia variable para el motor y lo controla ajustando la frecuencia. de la fuente de alimentación de salida Velocidad del motor. El diagrama de bloques del convertidor de frecuencia CA-CA se muestra en la Figura 4-53. En la figura se puede ver que el circuito principal del convertidor de frecuencia CA-CA es diferente del circuito principal del convertidor de frecuencia CA-CC-CA. Utiliza un circuito de conversión de frecuencia CA-CA para convertir directamente la fuente de alimentación de frecuencia industrial en una fuente de alimentación de CA de frecuencia ajustable para el control de frecuencia.
Figura 4-53 Diagrama de bloques del convertidor de frecuencia CA-CA
El circuito general de conversión de frecuencia CA-CA solo puede reducir la frecuencia de CA de entrada y salida, mientras que la frecuencia de frecuencia industrial La fuente de alimentación es inherentemente baja, por lo que el rango de regulación de velocidad del convertidor de frecuencia CA-CA es muy estrecho. Además, en el convertidor se utiliza una gran cantidad de dispositivos electrónicos de potencia, como tiristores, lo que resulta en un gran tamaño del dispositivo y un alto costo. Por lo tanto, la aplicación de los convertidores de frecuencia CA-CA está mucho menos extendida que la de los convertidores de frecuencia CA-CC-CA, por lo que todos deberían centrarse en aprender los convertidores de frecuencia CA-CC-CA.