Przemiennik gwarantuje właściwe warunki pracy w całym zakresie regulacji poprzez odpowiednie adaptowanie napięcia do potrzeb obciążenia. Jest też możliwe zapewnienie właściwej magnetyzacji silnika.

Od obwodu przejściowego falownik może pobierać:

   - prąd stały o regulowanej wartości,

   - napięcie stałe o regulowanej wartości,

   - napięcie stałe o nieregulowanej wartości.

W każdym przypadku falownik zapewnia dostarczanie do silnika napięcia o odpowiednio przetworzonych parametrach. Innymi słowy częstotliwość napięcia zasilającego silnik jest zawsze generowana w falowniku. Jeżeli prąd lub napięcie stałe jest regulowane w obwodzie pośrednim, falownik zmienia tylko jego częstotliwość, a jeżeli napięcie zasilania falownika jest stałe to falownik zmienia jego częstotliwość i wartość skuteczną.

Chociaż falownik pracuje w różny sposób jego podstawowa struktura jest zawsze taka sama. Głównymi członami falownika są sterowane półprzewodnikowe elementy mocy umieszczane w trzech oddzielnych gałęziach.

Ze względu na dużą częstotliwość przełączania, tyrystory obecnie są zastępowane przez tranzystory, które mogą być załączane i wyłączane bardzo szybko. Praca półprzewodnikowych elementów mocy jest dwustanowa stąd często używa się określenia - klucz półprzewodnikowy. Częstotliwość przełączania elementów mocy falownika zależy od rodzaju zastosowanych półprzewodników mocy i zwykle zawiera się w granicach od 300Hz do 20kHz.

Półprzewodniki w falowniku są przełączane przez sygnały sterujące generowane w obwodzie sterowania i zabezpieczeń przemiennika. Sygnały sterujące pracą elementów mocy falownika mogą być generowane według różnych sposobów (algorytmów, metod).

Rys. 1 Tradycyjne rozwiązanie układu falownika prądowego - regulowana wartość prądu stałego zasilania falownika

W tradycyjnych rozwiązaniach przemienników z falownikami prądowymi, falownik zasilany jest prądem stałym o regulowanej wartości w funkcji częstotliwości jego prądu wyjściowego. Składa się on z sześciu diod, sześciu tyrystorów i sześciu kondensatorów.

Kondensatory umożliwiają przełączanie tyrystorów tak, że prądy fazowe są przesunięte względem siebie o 120° wartość ich pojemności musi być dopasowana do mocy silnika. Wirujące pole magnetyczne silnika jest wytwarzane wtedy, gdy zaciski silnika są zasilane periodycznie: U-V,V-W,W-U,U-V. Nawet, jeżeli prąd dostarczany przez falownik do silnika ma przebieg zbliżony do prostokątnego, napięcie silnika jest prawie sinusoidalne.

Należy zauważyć, że zawsze występują przepięcia na zaciskach silnikowych (impulsy napięciowe o dużej amplitudzie) podczas załączania lub wyłączania tyrystorów falownika. Inną niedogodnością jest możliwość powstania wyładowania łukowego o dużej energii w takim przemienniku w przypadku uszkodzenia silnika lub tyrystora przy jednoczesnym uszkodzeniu diody zwrotnej obwodu pośredniego - nastąpi łukowe wyładowanie rozładowujące energię zmagazynowaną w dławiku.

Diody separują kondensatory w falowniku prądowym przed zmianą ładunku przez prąd bierny obciążenia , rys. 1.

Rys. 2  Falownik napięciowy – tj. zasilany ze źródła napięcia stałego o regulowanej lub nieregulowanej wartości i przebiegi prądu fazowego silnika zależnie     od częstotliwości przełączania elementów mocy falownika

Przy regulowanej lub stałej wartości napięcia w obwodzie pośrednim falownik zawiera sześć sterowanych półprzewodników mocy, stawiane wymagania w zakresie parametrów elektrycznych i funkcja tych elementów jest zasadniczo taka sama w obu przypadkach. Sterowanie pracą - załączaniem i wyłączaniem półprzewodników mocy jest realizowane przy użyciu różnych technik modulacji zapewniających możliwość regulacji częstotliwości napięcia wyjściowego przemiennika.

Pierwszy omawiany tutaj sposób wykorzystuje regulowaną wartość napięcia lub prądu w obwodzie pośrednim. Okresy, w których przewodzą poszczególne sterowane półprzewodnikowe elementy mocy falownika są rozłożone sekwencyjnie, z określonym czasem przewodzenia dla wytworzenia określonej częstotliwości napięcia wyjściowego przemiennika częstotliwości.

Dany półprzewodnik jest przełączany sekwencyjnie i czas jego przewodzenia jest ustalany zależnie od wartości napięcia lub prądu stałego obwodu pośredniego przemiennika. Stosując napięciowo sterowany regulator napięcia stałego obwodu pośredniego, jedynie częstotliwość napięcia wyjściowego falownika jest przez niego regulowana i zależy od amplitudy napięcia stałego obwodu pośredniego. Ten rodzaj modulacji określamy jako modulacja amplitudowa - PAM (ang. Pulse Amplitude Modulation). Przez to taki przemiennik częstotliwości nazywany jest przemiennikiem - PAM.

Inną obecnie głównie wykorzystywaną techniką jest stosowanie nieregulowanego napięcia stałego obwodu pośredniego przemiennika częstotliwości. Napięcie przemienne silnika jest tutaj wytwarzane przez podawanie napięcia stałego obwodu pośredniego na uzwojenia silnika przez dłuższy lub krótszy okres czasu. W falowniku dokonywana jest regulacja wartości skutecznej i częstotliwości tego napięcia.

Rys. 3 Zasada modulacji amplitudowej - PAM i szerokości impulsów - PWM w przemiennikach napięciowych

Częstotliwość jest zmieniana przez zmianę szerokości impulsu napięcia wzdłuż osi czasu dla dodatniego półokresu i odpowiednio dla ujemnego półokresu napięcia wyjściowego falownika.

Jeżeli modulacja powoduje zmiany szerokości impulsów napięciowych to jest ona nazwana jest modulacją PWM (Modulacja Szerokości Impulsów - MSI). Metoda PWM wraz jej modyfikacjami, jak np. sterowana sinusoidą PWM jest obecnie najczęściej stosowaną techniką sterowania pracą falowników w przemiennikach napięciowych.

W modulacji napięcia wyjściowego falownika PWM obwód sterowania określa czas trwania okresów załączenia i wyłączenia sterowanych zaworów półprzewodnikowych falownika. Jest to realizowane na podstawie informacji o odstępach czasu między kolejnymi punktami przecięcia się nałożonych na siebie przebiegów modulacyjnych w układzie sterowania PWM: symetrycznego trójkątnego przebiegu nośnego z przesuniętymi o 120° sinusoidalnymi przebiegami modulującymi. Sinusoidalne przebiegi modulujące mają odpowiednio regulowaną amplitudę i częstotliwość, i odpowiadają one odpowiednio za czasy przełączeń sterowanych elementów półprzewodnikowych mocy w poszczególnych gałęziach półmostków trójfazowego falownika. Przebiegi te określają wartość skuteczną i częstotliwość napięcia zasilania silnika (sterowana sinusoidą modulacja PWM). Inne zaawansowane odmiany metody modulacji PWM wykorzystujące technikę mikroprocesorową, to sterowanie wektorem napięcia VVC, VVC+ (ang. Victor Voltage Control), które firma DANFOSS stosuje w swoich przemiennikach częstotliwości.

Tranzystor jako dwustanowy łącznik energoelektroniczny

Tranzystory mogą być przełączane z dużą szybkością, co zmniejsza szum elektromagnetyczny związany z magnesowaniem silnika. Inną zaletą szybkiego przełączania zaworów falownika jest możliwość dopasowania częstotliwości przełączania tych zaworów falownika do wartości obciążenia i częstotliwości podstawowej harmonicznej sinusoidalnego napięcia zasilania silnika. Umożliwia to generowanie sinusoidalnego prądu silnika. Obwód sterowania musi tylko odpowiednio szybko załączać i wyłączać tranzystory falownika.

Rys. 4 Prąd silnika przy różnych częstotliwościach przełączenia tranzystorów mocy falownika

Zbyt duża częstotliwość przełączania tranzystorów mocy falownika prowadzi do nadmiernego grzania się przemiennika w skutek zwiększonego udziału strat dynamicznych w stosunku do strat statycznych w falowniku, przy jednoczesnym zmniejszeniu strat w silniku. Zwiększenie częstotliwości przełączania tranzystorów falownika przemiennika częstotliwości jest zawsze kompromisem między stratami przemiennika i silnika. Należy zwykle brać pod uwagę sprawność całego układu napędowego: przemiennik częstotliwości - silnik.

Innym problemem jest to, że zbyt niska częstotliwość przełączania tranzystorów falownika może prowadzić do zwiększenia hałasu pracującego silnika, co w niektórych warunkach może być uciążliwe dla personelu znajdującego się w bezpośrednim otoczeniu silnika, np. w laboratoriach badawczych i dydaktycznych.

Tranzystory o wysokiej częstotliwości przełączania stosowane do falowników mogą być dzielone na trzy grupy:

1. Bipolarne (LTR).

2. Unipolarne (FET, MOS-FET).

3. Bipolarne z izolowaną bramką (IGBT).

Obecnie najczęściej stosowane są tranzystory IGBT. Mają one własności sterowania tranzystorów MOS–FET i mogą przewodzić prądy oraz mają zakres mocy taki jak tranzystory LTR. Zaletą ich jest również duża przewodność (mała rezystancja przewodzenia) i dobre własności sterowania (sterowane sygnałem napięciowym) do zastosowań w nowoczesnych przemiennikach. Zastosowanie tych tranzystorów w falownikach spowodowało duży postęp technologiczny w budowie przemienników częstotliwości o mocach do 500kW i napięciach zasilania 3*380-690V, w stosunku do przemienników z falownikami opartymi uprzednio na tyrystorach czy tranzystorach bipolarnych.

Wprowadzenie tranzystorów IGBT, ze względu na małe zapotrzebowanie na moc ich sterowania spowodowało znaczne zwiększenie niezawodności zmniejszenie gabarytów przemienników. Cały układ sterowania został przeniesiony na stronę niskonapięciową, nazywaną IPM (ang. Intelligent Power Module). Ważne jest tutaj to, że między obwodem sterowania i obwodem mocy tranzystora IGBT jest izolacja galwaniczna, napięcie przebicia tej izolacji wynosi około 2kV. Przy załączaniu i wyłączeniu oraz podtrzymaniu stanu pracy statycznej tranzystora IGBT nie jest pobierana moc z układu sterowania. Można powiedzieć, że pracą tranzystora IGBT można sterować baterią o napięciu 12V, która nie ulega rozładowaniu, bo jej obciążenie jest bliskie zeru.

Tabela 1 przedstawia podstawowe różnice między sterowanymi półprzewodnikowymi elementami mocy stosowanymi w falownikach niskonapięciowych przemienników częstotliwości: MOS–FET, IGBT i LTR.

Tabela. 1 Porównanie własności w pełni sterowanych zaworów półprzewodnikowych stosowanych w falownikach przemienników częstotliwości

Rys. 5 Zakres mocy i częstotliwości przełączania różnych typów tranzystorów stosowanych w falownikach przemienników

źródło :Dr inż. Jerzy Szymański , ELPOL Centrum Elektroniki i Automatyki Sp. z o.o. (www.elpol.biz)