Convertizoare de frecventa, elemente tehnice de baza

Convertizoarele de frecventa sunt dispozitive electronice de putere care regleaza turatia motoarelor electrice de curent alternativ prin modificarea frecventei si a tensiunii de alimentare. Practic, un convertizor de frecventa permite unui motor sa functioneze la turatii diferite, aspect care se reflecta prin cateva beneficii importante:

• Economie de energie
Motorul nu functioneaza tot timpul la turatia maxima. Prin ajustarea turatiei, el consuma doar cat este necesar, reducand astfel consumul de energie.

• Pornire si oprire lina
Acest aspect este foarte important din punct de vedere al longevitatii echipamentelor. Mai putine socuri mecanice inseamna fiabilitate si durabilitate extinse.

• Control precis
Posibilitatea de a realiza un reglaj fin al vitezei si al cuplului.

• Curenti de pornire redusi
Sunt eliminate varfurile de curent specifice pornirii directe.

Convertizorul de frecventa mai este referit uneori prin termenii „variator de frecventa” sau „invertor”, insa din punct de vedere tehnic, acesti termeni nu desemneaza exact acelasi lucru. Convertizorul de frecventa modifica frecventa unei surse de curent alternativ, fiind deseori utilizat pentru controlul motoarelor insa poate fi folosit si pentru a schimba o frecventa fixa intr-o alta frecventa fixa.
Pe de alta parte, un variator de frecventa (VFD – Variable Frecquency Drive) se foloseste aproape exclusiv in automatizari industriale pentru actionarea motoarelor electrice (asincrone sau sincrone), permitand accelerarea lina, mentinerea unei viteze precise si oprirea controlata.
In ceea ce priveste invertorul, acesta este o componenta interna sau un dispozitiv distinct care realizeaza o singura conversie: transforma curentul continuu (DC) in curent alternativ (AC). Rolul sau este de a crea o forma de unda alternativa (de obicei sinusoidala sau sinusoidala modificata prin PWM – Pulse Width Modulation).

Modul de functionare al convertizoarelor de frecventa

Functionarea unui convertizor de frecventa se bazeaza pe un principiu simplu: turatia unui motor asincron depinde direct de frecventa retelei de alimentare. Prin modificarea acestei frecvente, putem controla viteza de rotatie a motorului.

Structura interna a unui convertizor de frecventa cuprinde trei etape principale:

1. Redresorul (rectifier – in limba engleza): converteste curentul alternativ de la retea in curent continuu. La convertizoarele trifazate, se foloseste o punte redresoare trifazata necontrolata.

2. Circuitul intermediar (DC Bus – in limba engleza): contine condensatoare care netezesc oscilatiile curentului continuu provenit de la redresor, transformandu-l intr-o tensiune continua stabila.

3. Invertorul: etapa finala, care converteste curentul continuu inapoi in curent alternativ, dar de data aceasta la frecventa si tensiunea dorite. Aici intra in functiune tranzistoarele IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors – in limba engleza), care sunt comutate rapid prin tehnica PWM (modulatie pe latime a impulsului) pentru a genera forma de unda dorita. IGBT-urile sunt componente cheie, o combinatie intre tranzistoarele MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor – in limba engleza si care se poate traduce ca: Tranzistor din metal-oxid-semiconductor cu efect de camp) si cele bipolare, ideale pentru comutarea tensiunilor si curentilor inalti.

Tipuri de convertizoare

Clasificate in functie de faza de alimentare:

Convertizoare monofazate – alimentate de la o retea monofazata (230V), utilizate in general pentru motoare de putere redusa, de regula pana in 2,2 kW. Convertesc alimentarea monofazata in iesire trifazata pentru motor. Exemple de aplicatii pentru convertizoare monofazate: pompe, ventilatoare, sisteme de aer conditionat, usi automate, masini de ambalat.

Convertizoare trifazate – alimentate de la o retea trifazata (380V sau 400V), utilizate pentru motoare de putere medie si mare. Gama de puteri este mult mai larga, putand ajunge pana la 400 kW sau chiar mai mult. Exemple de aplicatii pentru convertizoare trifazate: industrie grea, benzi transportoare, pompe industriale, ventilatoare de mari dimensiuni.

Clasificate in functie de tipul de control:

Control V/f (tensiune/frecventa constant) – metoda de baza, mentine raportul constant intre tensiune si frecventa pentru a asigura un cuplu constant. Potrivit pentru aplicatii generale cum ar fi benzile transportoare.

Control vectorial (fara senzor de turatie) – metoda avansata care ofera performante superioare, mai ales la frecvente joase si pentru aplicatii cu variatii dinamice de viteza.

Unde sunt folosite cu preponderenta?

Convertizoarele de frecventa sunt foarte prezente in mediul industrial si nu numai:

Industria prelucratoare
• Benzi transportoare, utilaje pentru prelucrarea lemnului, industria alimentara, a tutunului si bauturilor
• Masini de ambalat si linii de asamblare

HVAC (incalzire, ventilatie, aer conditionat)
• Ventilatoare, pompe de caldura, compresoare – unde controlul precis al debitului aduce economii substantiale de energie

Gestionarea apei
• Pompe pentru alimentarea cu apa, statii de epurare, irigatii
• Controlul presiunii prin reglaj automat PID

Alte aplicatii
• Industria textila, a hartiei, chimica si metalurgica
• Sisteme de automatizare si robotica

Cele doua regimuri de functionare ale unui convertizor de frecventa

1. Regimul de cuplu constant (zona de functionare nominala)

In acest caz se aplica regula de baza a convertizoarelor: Convertizorul mentine raportul V/f (tensiune/frecventa) constant.
Considerand formula puterii: P = M×n ( Puterea = Cuplul × Turatia), daca reducem turatia (n) la jumatate, dar mentinem raportul V/f constant, cuplul (M) ramane acelasi (constant). Prin urmare, puterea (P) scade proportional cu turatia.
De exemplu, daca motorul functioneaza la 50% din turatie, cuplul este 100%, dar puterea consumata este doar 50%. Aceasta reprezinta de altfel cheia obtinerii unei economii in ceea ce priveste energia consumata: Nu se pierde forta (cuplu), ci doar se reduce puterea consumata, pentru ca nu mai este necesar atat de mult lucru mecanic per unitatea de timp.
Aplicatie practica: O banda transportoare care trebuie sa care mereu aceeasi greutate (cuplu constant), dar mai lent. Convertizorul reduce frecventa, tensiunea scade proportional, cuplul ramane suficient pentru a cara greutatea, iar consumul de energie electrica scade semnificativ.

2. Regimul de cuplu variabil (zona de slabire a campului)
In acest caz intervine o nuanta importanta, mai ales la turatii mai mari decat cea nominala: Daca se doreste cresterea turatiei peste valoarea scrisa pe placuta motorului, convertizorul nu mai poate creste si tensiunea (pentru ca reteaua nu mai are de unde sa asigure peste 380V/400V). Asadar, raportul V/f se altereaza: tensiunea ramane maxima, dar frecventa creste. In aceasta zona, cuplul scade (pentru ca fluxul magnetic din motor slabeste), iar puterea ramane aproximativ constanta.

Ce fac convertizoarele moderne pentru a nu pierde cuplu la turatii mici?

La frecvente foarte mici (spre exemplu, 2-3 Hz), motorul are o problema: rezistenta interna a bobinelor face ca o parte din tensiune sa se piarda sub forma de caldura. Daca am aplica strict raportul V/f, cuplul ar scadea. Pentru a compensa acest lucru, convertizoarele moderne au functia "Boost" (compensare IR). Ele cresc artificial tensiunea la frecvente joase pentru a mentine cuplul nominal chiar si la pornire sau la turatii foarte mici. Asadar, inginerii au venit cu solutia prin care se poate mentine cuplul ridicat exact atunci cand este mai mare nevoie (porniri grele).

Putem concluziona urmatoarele:
- Cuplul (forta de rotatie) nu scade atunci cand se reduce turatia in regim normal (V/f constant), practic ramane acelasi.
- Puterea mecanica (consumul) scade intotdeauna cand scade turatia.

De aceea, atunci cand se reduce turatia unui ventilator sau a unei pompe centrifugale de la 100% la 80%, cuplul scade dupa legea patratica (pentru ca rezistenta fluidului scade mult ), iar puterea scade cu pana la 50% – de aici rezultand si economiile insemnate de energie.
Asadar convertizorul de frecventa nu scade performanta motorului ci ii confera exact tensiunea necesara pentru a mentine forta (cuplul) la valoarea ceruta de sarcina, si toate acestea salvand o buna parte si din energia electrica consumata. Un exemplu explicativ plastic ar fi situatia in care, aflandu-ne intr-un autovehicul ce se deplaseaza pe o sosea aglomerata in coloana, noi acceleram mai putin din pedala de acceleratie mentinand acelasi nivel de forta transmisa rotilor si totodata realizand un consum mai mic de combustibil deoarece ne deplasam cu viteza redusa.