Топологии выпрямителей для преобразователей частоты: эволюция от тиристорных схем (SCR) к матричной архитектуре

Частотный преобразователь выпрямляет входящий переменный ток в постоянный перед синтезом переменного выходного напряжения. Переход от кремниевых управляемых выпрямителей к матричным конфигурациям исключает громоздкие конденсаторы, подавляет электрический резонанс, минимизирует помехи в сети и позволяет осуществлять двунаправленную регенерацию энергии в сложных промышленных сетях машин.

Ограничения, связанные с коммутацией в сети и тиристорными каскадами
Ранние твердотельные приводы использовали кремниевые управляемые выпрямители и тиристоры с затворным управлением для регулирования напряжения постоянного тока. Эти тиристорные каскады страдали от низкого коэффициента мощности, сильных низкочастотных гармоник и медленных переходных процессов, которые создавали разрушительные тепловые напряжения на трансформаторах предприятия.

Углы фазового сдвига при включении приводили к сильным провалам напряжения на общих распределительных щитах. Предприятия сталкивались с частыми отключениями оборудования, что требовало использования внешних индуктивных дросселей, увеличивавших занимаемую площадь шкафов, требования к охлаждению и общие капитальные затраты при установке системы.

Сбои коммутации вызывали резкие короткие замыкания в сетях переменного тока при колебаниях напряжения в сети. Пользователи, работающие с однофазным преобразователем частоты 60 Гц в 50 Гц, сталкивались с падением нагрузки, перегоранием полупроводниковых предохранителей и непредвиденными перебоями в работе производственной линии.

Активные архитектуры входного каскада с транзисторами с изолированным затвором
Каскады с биполярными транзисторами с изолированным затвором вводят широтно-импульсную модуляцию в процесс выпрямления. Эта активная архитектура входного каскада обеспечивает коэффициент мощности, близкий к единице, и снижает суммарные гармонические искажения ниже пяти процентов, защищая чувствительные датчики, расположенные ниже по потоку, без необходимости использования изолирующих трансформаторов увеличенной мощности.

Эксплуатационные преимущества регенеративного четырехквадрантного управления
Двунаправленный поток энергии возвращает мощность замедления в региональную электросеть, а не рассеивает энергию в виде отработанного тепла через внешние тормозные резисторы. Предприятия отмечают снижение нагрузки на охлаждение шкафов и существенное снижение текущих эксплуатационных расходов на электроэнергию.

Стабилизация напряжения в сети обеспечивает стабильное создание крутящего момента во время сильных провалов входящего напряжения. Установка однофазного преобразователя частоты 50 Гц в 60 Гц позволяет зарубежному автоматизированному оборудованию бесперебойно работать от региональных сетей электроснабжения без механических остановок.

Матричные топологии и проектирование преобразователей переменного тока прямого действия
Матричные преобразователи полностью исключают промежуточные звенья постоянного тока, используя девять двунаправленных переключателей, расположенных между входной и выходной фазами. Удаление электролитических конденсаторов шины уменьшает физические размеры, увеличивает срок службы при высоких температурах окружающей среды и предотвращает катастрофическую утечку электролита из конденсаторов.

Выбор топологии преобразования для современных промышленных систем
Выбор правильной топологии частотного преобразователя зависит от тепловых характеристик, допустимых гармонических искажений и бюджетных ограничений. На промышленных предприятиях приоритет отдается активным входным каскадам для рекуперативного режима работы, в то время как матричные решения превосходят аналогичные решения там, где вес, пространство и долговечность без необходимости технического обслуживания являются определяющими параметрами предприятия.