Hvordan fungerer en frekvensomformer?

[lawiet]

Heisann!

 

Jeg har prøv meg litt på en frekvensomformer og lest litt, men jeg skjønner ikke hva er det som gjør at vi kan justere på frekvensen? sorry for å være noob xD

[arne22]

Her er en ny webside med figurer, men jeg har ikke rukket å legge på noe tekst.

 

http://ins.elfag.info/elektrotekniske-komponenter/frekvensomformeren

 

Kortversjon: Kontrollkretsen styrer frekvensen til utgangskretsen.

 

Her er tilsvarende "gammel webside", med tekst:

 

http://w3.elektrofag.info/elektroteknikk/frekvensomformeren

[Twinflower]

En typisk frekvensomformer består i hovedsak av tre deler:

 

1. En diodelikeretter som konverterer vekselstrøm til likestrøm
2. En rekke transistorer som pulser av og på og på denne måten konstruerer en ny sinusbølge basert på pulsbreddemodulering
3. En kontrollenhet som styrer transistorene. 

 

Jeg kan gå veldig mye mer i detalj hvis du ønsker dette, men jeg nøyer meg med å vise noen figurer og heller svare på konkrete spørsmål om du skulle ha noen.

(Jeg har laget alle figurene og trendene selv, så om noen finner noe feil så si gjerne fra)

 

Dette er pulsbreddemodulering.

Det blå sagtannsignalet har en fast frekvens (switchefrekvensen), mens den grønne sinusen er signalet man ønsker å lage på utgangen. 

De røde firkantpulsene er hva som faktisk kommer på utgangen, men fordi dette foregår svært hurtig så vil det for de fleste laster oppleves som en sinus med samme frekvens som det grønne signalet.

 

 

 

Dette er kretsskjemaet til en typisk passiv frekvensomformer. Merk at her er det seks istedenfor tre faser inn, så du kan ignorere tre av fasene og 6 av diodene.

Merk også at det ikke er alle frekvensomformer som har bremsechopper og bremsemotstand

 

 

Om du studerer transistorene (i Leg A, B C) så ser du at de er koblet til DC-linken, og at to transistorer i serie aldri kan være påslått samtidig. Da vil du kortslutte DC-linken (den øverste og nederste streken kalles DC-link fordi inngangsspenningen nå er likerettet til likestrøm og har en spenning lik inngangsspenningen * kvadratroten av 2)

 

 

Man kan derfor lage følgende forenkling av transistorene:

 

Her er transistorene byttet ut med switcher som enten står i øvre eller nedre posisjon.

Vektordiagrammet i midten og kurven til venstre er fra en PWM-metode som heter vektorkontroll.

 

Dette er en teknikk som benyttes for å styre motorer på en annen måte enn kun å diktere frekvensen.

 

Tradisjonelt har man to hovedtyper motorkontroll:

 

1. Skalarkontroll, ofte kalt U/f-kontroll eller Sine-PWM. Denne er den simpleste og vil kun endre selve frekvensen på utgangen til lasten. For motorstyring må også spenningen endres i takt med frekvensen for å unngå metning av statorjernet i motor. Dette er tilnærmet lineært, slik at ved 50% frekvens så vil man også sende ut 50% spenning. Dette gjelder for alle styringsmetoder.
    
2. Vektorkontroll som kan deles inn i to hovedkategorier:
   2a: SV-PWM, altså Space Vector - Pulse Width Modulation. Hvor frekvensomformeren kan styre motoren nøyaktig ved å definere nøyaktig både turtall, moment og magnetisering. Dette krever intelligent styring da frekvensomformeren må vite nøyaktig hvor rotor befinner seg for å kunne sette på rett strømvektorer for moment og magnetisering. 
   
   2b: DTC - Direct Torque Control, en metode utviklet av ABB hvor momentet styres vha hysteresekontroll. Dette krever ikke måling av rotorposisjon på samme måte og med samme nøyaktighet, men strømmålingene må samples mye oftere. Dette er illiustrert under. Kort fortalt så er det 6 sektorer og man måler hvilken sektor man er i og definerer derfra om man trenger å enten øke eller minke momentgivende og fluksgivende strøm. Dette foregår vha tabelloppslag istedenfor beregninger og er svært effektivt men ikke så veldig utbredt pga pantetering (som nå er utgått).
   

 

 

 

 

Dette ble litt rotete, men jeg har rimelig god peiling på frekvensomformere og motorer så bare spør om det er noe

[arne22]

Mye bra, men vet ikke om jeg er 100% enig i alt. For eksempel så står det vel i de fleste bøkene at det er "transistorutganger" på frekvensomformeren, mens moderne frekvensomformere heller bruker andre komponenter som thyristorer i utgangen. (Tror jeg da.)

"Kontrolkretsen" som bla styrer/spenning og frekvens er vel også lurt å nevne. Ellers en god gammel bok fra Danfoss (I ny utgave kan det se ut som.)

http://vltdrives.danfoss.no/themes/facts-worth-knowing-about-frequency-converters/

[Twinflower]

Mye bra, men vet ikke om jeg er 100% enig i alt. For eksempel så står det vel i de fleste bøkene at det er "transistorutganger" på frekvensomformeren, mens moderne frekvensomformere heller bruker andre komponenter som thyristorer i utgangen. (Tror jeg da.)

"Kontrolkretsen" som bla styrer/spenning og frekvens er vel også lurt å nevne. Ellers en god gammel bok fra Danfoss (I ny utgave kan det se ut som.)

http://vltdrives.danfoss.no/themes/facts-worth-knowing-about-frequency-converters/

 

Thyristoromformere er fra nittitallet.

Det er svært gammel teknologi og brukes kun på store landanlegg hvor IGBTer ikke har stor nok strøm-rating. Typisk hvor sjøkabler mellom land og kontinenter kommer i land og skal veksles om fra AC - DC osv.

 

I industrisammenheng i dag brukes IGBT-er, altså en type transistorer.

 

Det helt ferskeste er SiC-baserte komponenter hvor det er blandet inn karbon i silisumet. Dette kommer nå for fullt og gir langt lavere varmeutvikling og mulighet for raskere switchefrekvens etc (sistnevnte med visse utfordringer på lastsiden).

 

 Jeg tror dog ikke det finnes kommersielle frekvensomformere med SiC i dag, men selve komponentene er klare fra halvlederleverandørene.

Endret 15. november 2015 av Twinflower

[arne22]

Må tilstå at det vet jeg ikke, kan godt være. Har en gamme Hitachi fra 80 eller 90 tallet og den er merket med at den har transistorutganger. Har en liten samling med "nye små" og her må jeg tilstå at jeg ikke har kikket etter. For de fleste praktiske formål så fungerer jo både gammelt og nytt nokså likt, rent bruksmessig, med enkelte spesialiteter. (For eksempel mht hvordan de oppfører seg ved svart lave frekvenser der motoren får lite kjøling pga lav rpm.)

 

Edit:

Forsøkte å kikke litt i data på Altivar 21 men kunne ikke finne opplyst noe om hva slags utganger den har.
http://www.schneider-electric.com/en/product-range/1421-altivar-21

 

Edit 2:

Mange takk for tips. Nå vet jeg hvordan "Solid states releene" virker:

http://www.futureelectronics.com/en/transistors/igbt-transistor.aspx

https://en.wikipedia.org/wiki/Insulated-gate_bipolar_transistor

Endret 15. november 2015 av arne22

[BigJackW]

Dette er pulsbreddemodulering.

Det blå sagtannsignalet har en fast frekvens (switchefrekvensen), mens den grønne sinusen er signalet man ønsker å lage på utgangen. 

De røde firkantpulsene er hva som faktisk kommer på utgangen, men fordi dette foregår svært hurtig så vil det for de fleste laster oppleves som en sinus med samme frekvens som det grønne signalet.

Screen Shot 2015-11-15 at 14.20.04.png

Er det faktisk slik at utgangssignalet er slik eller vil det være både positivt og negativt slik som i en ordinær sinus? Er amplituden den samme hele tiden også? Og hvorfor switches det med et sagtann-signal?

[Twinflower]

 

Dette er pulsbreddemodulering.

Det blå sagtannsignalet har en fast frekvens (switchefrekvensen), mens den grønne sinusen er signalet man ønsker å lage på utgangen. 

De røde firkantpulsene er hva som faktisk kommer på utgangen, men fordi dette foregår svært hurtig så vil det for de fleste laster oppleves som en sinus med samme frekvens som det grønne signalet.

Screen Shot 2015-11-15 at 14.20.04.png

Er det faktisk slik at utgangssignalet er slik eller vil det være både positivt og negativt slik som i en ordinær sinus? Er amplituden den samme hele tiden også? Og hvorfor switches det med et sagtann-signal?

 

 

• PWM-eksemplet mitt var noe jeg snekret sammen i LTSPICE på noen få minutter for å demonstrere konseptet. Derfor ligger sinusen over nullpunktet istedenfor å være sentrert rundt nullpunktet slik det er til vanlig. 

  Slik ser det "egentlig" ut. 

  

   

• Amplituden er alltid - alltid den samme. Nemlig DC-link-spenningen som igjen er tilførsel * sqrt(2).

   

• Det switches ikke med sagtann. Sagtann- og sinussignalet er kun internt i en chip for å finne ut når man skal slå av og på transistorene.

Endret 15. november 2015 av Twinflower

[arne22]

Trodde at noen frekvensomformere kunne variere både frekvens / pulsbredde og også spenning. Fant i alle fall en beskrivelse som jeg synes er forholdsvis "enkel og grei":

 

 http://www.abb.no/product/ap/seitp322/9f10a1ecce40c4e7c125744b00273b98.aspx

 

Her er også en litt mer omfattende og ganske bra framstilling. (Linker den for senere bruk.)

https://en.wikipedia.org/wiki/Variable-frequency_drive

 

Ellers så bekrefter Wikipedia noe av det som blir nevnt over:

 

Controller advances have exploited dramatic increases in the voltage and current ratings and switching frequency of solid-state power devices over the past six decades. Introduced in 1983,^[9] the insulated-gate bipolar transistor(IGBT) has in the past two decades come to dominate VFDs as an inverter switching device.

Endret 15. november 2015 av arne22

[BigJackW]

• PWM-eksemplet mitt var noe jeg snekret sammen i LTSPICE på noen få minutter for å demonstrere konseptet. Derfor ligger sinusen over nullpunktet istedenfor å være sentrert rundt nullpunktet slik det er til vanlig. 

  Slik ser det "egentlig" ut. 

  Screen Shot 2015-11-15 at 20.00.21.png

   

• Amplituden er alltid - alltid den samme. Nemlig DC-link-spenningen som igjen er tilførsel * sqrt(2).

   

• Det switches ikke med sagtann. Sagtann- og sinussignalet er kun internt i en chip for å finne ut når man skal slå av og på transistorene.

 

 

Når jeg tenker meg om er det vel naturlig at amplitude er konstant ja siden DC-linken også er konstant...

 

Har jeg forstått det riktig at sånn som det fremstilles i den figuren så er avstanden mellom to sagtanntopper i punktene der sinusbølgen krysser det samme som pulsbredden til pwm-signalet i samme tidsrom?

 

Sinussignalet har eksakt samme frekvens som settpunktet man ønsker på utgangen?

[Twinflower]

 

• PWM-eksemplet mitt var noe jeg snekret sammen i LTSPICE på noen få minutter for å demonstrere konseptet. Derfor ligger sinusen over nullpunktet istedenfor å være sentrert rundt nullpunktet slik det er til vanlig. 

  Slik ser det "egentlig" ut. 

  Screen Shot 2015-11-15 at 20.00.21.png

   

• Amplituden er alltid - alltid den samme. Nemlig DC-link-spenningen som igjen er tilførsel * sqrt(2).

   

• Det switches ikke med sagtann. Sagtann- og sinussignalet er kun internt i en chip for å finne ut når man skal slå av og på transistorene.

 

 

Når jeg tenker meg om er det vel naturlig at amplitude er konstant ja siden DC-linken også er konstant...

 

Har jeg forstått det riktig at sånn som det fremstilles i den figuren så er avstanden mellom to sagtanntopper i punktene der sinusbølgen krysser det samme som pulsbredden til pwm-signalet i samme tidsrom?

 

Sinussignalet har eksakt samme frekvens som settpunktet man ønsker på utgangen?

 

 

Pulsbredden er gitt av hvor lenge sinusverdien er høyere enn sagtannverdien.

Altså "Hvis sin > tri" --> Puls = 1.

 

Og ja, sinussignalet har samme frekvens som man ønsker på utgangen.

[Twinflower]

Trodde at noen frekvensomformere kunne variere både frekvens / pulsbredde og også spenning. 

 

Med en fast DC-link må nødvendigvis utgangsspenningen også være fast. Da er følgelig pulsbredden og frekvensen på pulsene variabel for å syntetisere utgangssignalet.

 

Men du skal vite at det finnes veldig mange spesielle omformertopologier hvis man ser litt på spesielle applikasjoner. F.eks ABBs cyclokonvertere. 

[arne22]

Mange takk for interessant informasjon. Etter å ha lest gjennom kapittel 2 i Danfoss sin bok, så synes jeg det ser ut som om boken er enig med deg. Den er også enig med hensyn til den praktiske utformingen av invertertrinnet.

 

http://danfoss.ipapercms.dk/Drives/DD/Global/SalesPromotion/FWK/Chapt02/

 

Da er vi framme ved følgende svar/konklusjon.

 

• DC spenningen i / fra mellomkretsen ligger konstant.
• Frekvensen og effektpådraget ut i fra frekvensomformeren varierer ved at helvlederne i frekvensomformeren tennes og slukkes i eksakt riktig rekkefølge slik at man oppnår en 3 fase pulsbredde modulasjon. Dette styres av kontrollkretsen.

 

Så kunne det ha flgt mange detaljer om kontrollkretsen, men dette er "basically" rett, er det ikke? 

[Twinflower]

Ja. Kortere kan man knapt oppsummere det