Bővebben a „digitális váltóáramról” - VFD áramkörök és IGBT tranzisztorok

Mielőtt a szaknyelvi kritikusok felcsattannának, igen, a címben írt „váltóáram” kifejezés egy szleng, mert annak rendes becsületes neve „váltakozó feszültség”. A váltakozó feszültséget előállíthatja generátor, transzformátor, inverter, oszcillátor, fényforrások, illetve elektromágneses indukció. Itt mi most az inverterek által előállított „módosított szinusz”/”frekvencia vezérelt” kimeneti feszültséggel fogunk foglalkozni, melynek alkalmazását napokkal ezelőtti cikkünkben már érintettük, de korábban is részben említésre került szinkron motorokkal kapcsolatos anyagaink között. Most kicsit tovább megyünk.

Az "VFD" rövidítés a "Variable Frequency Drive" vagy szabad fordításban "Változtatható Frekvenciájú Meghajtás" rövidítése, ami egy olyan eszközre utal, amelyet általában elektromos motorok sebességének és teljesítményének szabályozására használnak. Ezen eszközök segítségével a motorokat tápláló „váltóáramot” szabályozzák és lehetővé teszik számukra, hogy változtatható sebességen működjenek.

A VFD eszközök analóg váltakozó feszültséget alakítanak át egyenfeszültséggé (DC), majd azt váltakozó feszültséggé (AC), végül a kimeneten a kívánt frekvenciájú és feszültségű jelalakkal táplálják meg a csatlakoztatott elektromotort. Ennek eredményeként a motor sebessége és teljesítménye kifinomultan szabályozható.

Áramköri elemek tekintetében a VFD áramkörök legfontosabb elemei a diódák, kondenzátorok, illetve a nagyfeszültségű IGBT tranzisztorok. Az IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) nagy teljesítményű tranzisztorok széles körben használtak teljesítményelektronikai alkalmazásokban, például változtatható frekvenciájú hajtóművekben (VFD), inverterekben, motorvezérlőkben és más olyan eszközökben, amelyek nagyfeszültségű és nagyáramú váltakozó feszültségű (AC) vagy egyenfeszültségű (DC) teljesítményt kezelnek.

Az IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) tranzisztorok kombinálják a bipoláris tranzisztorok és a MOSFETek tranzisztorok tulajdonságait, ezáltal nagy teljesítményt képesek kezelni - akár 1 200 V feszültséget és 300 A áramértéket is (!) - ami több tényező összetett kombinációjának eredménye, alapvetően azért, mert szilárdtest félvezetők, amelyeket speciális szilícium-alapú anyagokból készítenek. Ez a technológia lehetővé teszi számukra, hogy hatékonyan kezeljék a nagy teljesítményt anélkül, hogy nagyobb és nehezebb elektromos komponensekkel kellene dolgozniuk.

Működésük tekintetében kapuvezérlésűek, tehát a bemeneti jelet a kapu vezérlőfeszültsége határozza meg, ez az IGBT be- vagy kikapcsolását szabályozza. A kis kapcsolófeszültség azt jelenti, hogy könnyen vezérelhetők, gyorsan kapcsolhatók és lehetővé teszi a pontos vezérlést. Az IGBT tranzisztorok kapuja szigetelt a fő áramkörtől, ami védelmet nyújt magas feszültségű alkalmazásokban és hatékony hőelvezetést igényel működés közben.

Visszatérve a VFD áramkörök sematikus ábrájára, elemezzük részeinek működését:

A bemeneti egyenirányító áramkör gondoskodik a megfelelő bemeneti feszültségről és áramról, valamint védelmet nyújt túlfeszültség és túláram ellen. A szűrők csökkentik a zajt és interferenciát. A feszültség-alakító átalakítja a bemeneti feszültséget köztes feszültséggé. Az IGBT tranzisztorokat tartalmazó inverter váltakozó feszültséggé alakítja ezt a köztes áramot, az IGBT tranzisztorok váltakozó feszültséget (AC) generálnak a köztes egyenfeszültség (DC) alapján, képesek gyorsan váltani az állapotukat, ami lehetővé teszi a váltakozó feszültség szabályozását és a motor sebességének finomhangolását.

​​​​​​​

Miért alkalmazzák őket?

A válasz a „digitális szinusz” feszültség pontosabb, stabilabb, rugalmasabb és energiahatékonyság szempontjából takarékosabb működés területén keresendő:

Pontosság: az analóg szinusz feszültség valós idejű analóg jelet hoz létre szinusz hullámformával, de általában kevésbé pontos és több hardveralkalmazást igényel. A VFD által előállított „digitális szinusz” feszültség viszont a feszültség időzítését és amplitúdóját tekintve a vezérlőegység számításai alapján létrehozott – tehát pontosabb, stabilabb.

Stabilitás: az analóg szinusz feszültség lehet pontatlan és érzékeny a zajra, míg a VFD által előállított „digitális szinusz” feszültség rendkívül pontos és alig tartalmaz zajt. Ezért kézenfekvő alkalmazása olyan területeken, ahol a pontosság és a stabilitás kulcsfontosságú, mint például hajtásláncok vagy precíziós (pozícionáló) rendszerek.

Rugalmasság: az analóg szinusz feszültség általában korlátozott a változó sebességű és terhelésű rendszerek szabályozásában, mivel általában csak meghatározott sebességű motorokhoz és állandó terhelésekhez alkalmazható. A VFD által előállított „digitális szinusz” feszültség viszont lehetővé teszi az elektromotor sebességének és teljesítményének dinamikus szabályozását, így alkalmazkodhat az aktuális igényekhez és terheléshez, ami széles körű alkalmazást tesz lehetővé.

Energiahatékonyság: az analóg szinusz feszültségű motorok általában csak állandó sebességgel működnek és korlátozott lehetőség van az energia megtakarítására. A VFD által előállított digitális szinusz feszültség azonban lehetővé teszi a motor sebességének automatikus csökkentését azokban a részüzemmódokban, amikor a teljes teljesítmény nem szükséges és ez nagy mértékű energiamegtakarítást eredményezhet.

A VFD áramkörök széles körben használatosak – nem csak autóipari - alkalmazásokban, például szállítószalagok, ventilátorok, szivattyúk és egyéb berendezések vezérlésére. Ezek a berendezések hatékony energiafelhasználást tesznek lehetővé, mivel lehetővé teszik a motorok teljesítményének szabályozását a tényleges igényekhez igazítva. Ezenkívül csökkentik a motorok indítási áramigényét és kopását, ami hosszabb élettartamot és alacsonyabb üzemeltetési költségeket eredményezhet.

Az IGBT modulokról az egyik vezető gyártó – az Infineon – videójából is tájékozódhatunk:

forrás:

theengineeringmindset.com
renesas.com
infineon.com