Перетворювач частоти – це технологія, яку слід опанувати під час виконання електромонтажних робіт. Використання перетворювача частоти для керування двигуном є поширеним методом в електротехнічному управлінні; деякі з них також вимагають навичок їх використання.
1. Перш за все, навіщо використовувати перетворювач частоти для керування двигуном?
Двигун є індуктивним навантаженням, що перешкоджає зміні струму та призведе до значної зміни струму під час запуску.
Інвертор – це пристрій керування електричною енергією, який використовує функцію вмикання-вимикання силових напівпровідникових приладів для перетворення промислової частоти джерела живлення на іншу частоту. Він складається переважно з двох схем: головної (випрямний модуль, електролітичний конденсатор та інверторний модуль), а іншої – схеми керування (плата імпульсного джерела живлення, плата керування).
Щоб зменшити пусковий струм двигуна, особливо двигуна з більшою потужністю, чим більша потужність, тим більший пусковий струм. Надмірний пусковий струм призведе до більшого навантаження на електромережу та розподільчу мережу. Перетворювач частоти може вирішити цю проблему запуску та забезпечити плавний запуск двигуна без надмірного пускового струму.
Ще однією функцією використання перетворювача частоти є регулювання швидкості двигуна. У багатьох випадках необхідно контролювати швидкість двигуна для досягнення кращої ефективності виробництва, і регулювання швидкості за допомогою перетворювача частоти завжди було його найбільшою перевагою. Перетворювач частоти контролює швидкість двигуна, змінюючи частоту джерела живлення.
2. Які методи керування інвертором?
П'ять найпоширеніших методів керування інверторними двигунами є наступними:
A. Метод керування синусоїдальною широтно-імпульсною модуляцією (SPWM)
Його характеристики полягають у простій структурі схеми керування, низькій вартості, хорошій механічній міцності та можливості відповідати вимогам плавного регулювання швидкості загальної трансмісії. Він широко використовується в різних галузях промисловості.
Однак, на низьких частотах, через низьку вихідну напругу, крутний момент суттєво залежить від падіння напруги на опорі статора, що зменшує максимальний вихідний крутний момент.
Крім того, його механічні характеристики не такі сильні, як у двигунів постійного струму, а його динамічний крутний момент та статичне регулювання швидкості є незадовільними. Крім того, продуктивність системи невисока, крива керування змінюється залежно від навантаження, реакція на крутний момент повільна, коефіцієнт використання крутного моменту двигуна невисокий, а продуктивність знижується на низькій швидкості через наявність опору статора та ефекту мертвої зони інвертора, що погіршує стабільність. Тому досліджували векторне керування частотою та регулювання швидкості.
B. Метод керування вектором простору напруги (SVPWM)
Він базується на загальному ефекті генерації трифазної форми хвилі з метою наближення до ідеальної кругової траєкторії обертового магнітного поля повітряного зазору двигуна, генерування трифазної модуляційної форми хвилі за раз та керування нею у вигляді вписаного багатокутника, що апроксимує коло.
Після практичного використання його було вдосконалено, а саме: введено частотну компенсацію для усунення похибки регулювання швидкості; оцінку амплітуди потоку через зворотний зв'язок для усунення впливу опору статора на низькій швидкості; замикання вихідної напруги та петлі струму для покращення динамічної точності та стабільності. Однак, існує багато ланок схеми керування, і регулювання крутного моменту не введено, тому продуктивність системи принципово не покращилася.
C. Метод векторного контролю (ВК)
Суть полягає в тому, щоб зробити двигун змінного струму еквівалентним двигуну постійного струму та незалежно керувати швидкістю та магнітним полем. Керуючи потоком ротора, струм статора розкладається для отримання складових крутного моменту та магнітного поля, а перетворення координат використовується для досягнення ортогонального або роз'єднаного керування. Впровадження методу векторного керування має епохальне значення. Однак на практиці, оскільки потік ротора важко точно спостерігати, характеристики системи значно залежать від параметрів двигуна, а перетворення векторного обертання, що використовується в еквівалентному процесі керування двигуном постійного струму, є відносно складним, що ускладнює досягнення ідеального результату аналізу фактичного ефекту керування.
D. Метод прямого контролю крутного моменту (DTC)
У 1985 році професор ДеПенброк з Рурського університету в Німеччині вперше запропонував технологію перетворення частоти з прямим керуванням крутним моментом. Ця технологія значною мірою вирішила недоліки вищезгаданого векторного керування та швидко розвивалася завдяки новим ідеям керування, лаконічній та чіткій структурі системи, а також відмінним динамічним та статичним характеристикам.
Наразі ця технологія успішно застосовується для потужної тяги електровозів змінного струму. Пряме керування крутним моментом безпосередньо аналізує математичну модель двигунів змінного струму в системі координат статора та керує магнітним потоком і крутним моментом двигуна. Воно не потребує прирівнювання двигунів змінного струму до двигунів постійного струму, що усуває багато складних обчислень у перетворенні векторного обертання; не потребує імітації керування двигунами постійного струму, а також не потребує спрощення математичної моделі двигунів змінного струму для розв'язки.
E. Матричний метод керування змінним струмом
Перетворення частоти з векторним керуванням та перетворення частоти з прямим керуванням моментом – це все типи перетворення частоти змінного струму в постійний струм у змінний. Їхніми спільними недоліками є низький вхідний коефіцієнт потужності, великий гармонічний струм, необхідний великий конденсатор накопичення енергії для кола постійного струму, а також неможливість повернення рекуперативної енергії в енергосистему, тобто вона не може працювати в чотирьох квадрантах.
З цієї причини виникло матричне перетворення частоти змінного струму в змінний. Оскільки матричне перетворення частоти змінного струму в змінний виключає проміжну ланку постійного струму, воно усуває великий і дорогий електролітичний конденсатор. Воно може досягти коефіцієнта потужності 1, синусоїдального вхідного струму та може працювати в чотирьох квадрантах, а система має високу щільність потужності. Хоча ця технологія ще не є зрілою, вона все ще приваблює багатьох вчених до проведення поглиблених досліджень. Її суть полягає не в непрямому керуванні струмом, магнітним потоком та іншими величинами, а в безпосередньому використанні крутного моменту як контрольованої величини для досягнення цього.
3. Як перетворювач частоти керує двигуном? Як вони з'єднані між собою?
Підключення інвертора для керування двигуном є відносно простим, подібним до підключення контактора, з трьома основними лініями живлення, що входять і виходять до двигуна, але налаштування складніші, а способи керування інвертором також відрізняються.
Перш за все, що стосується терміналів інвертора, то, хоча існує багато брендів та різних методів підключення, термінали підключення більшості інверторів не сильно відрізняються. Зазвичай вони поділяються на входи перемикачів прямого та зворотного обертання, які використовуються для керування запуском двигуна вперед та назад. Клеми зворотного зв'язку використовуються для зворотного зв'язку про робочий стан двигуна.включаючи робочу частоту, швидкість, стан несправності тощо.
Для керування швидкістю деякі перетворювачі частоти використовують потенціометри, деякі використовують безпосередньо кнопки, і всі вони керуються через фізичну проводку. Інший спосіб – використання комунікаційної мережі. Багато перетворювачів частоти зараз підтримують керування через зв'язок. Лінію зв'язку можна використовувати для керування пуском і зупинкою, обертанням вперед і назад, регулюванням швидкості тощо двигуна. Водночас, інформація зворотного зв'язку також передається через зв'язок.
4. Що відбувається з вихідним крутним моментом двигуна, коли змінюється його швидкість обертання (частота)?
Пусковий та максимальний крутний момент при управлінні від перетворювача частоти менші, ніж при управлінні безпосередньо від джерела живлення.
Двигун має великий пусковий та розгінний вплив, коли живиться від джерела живлення, але цей вплив слабший, коли живиться від перетворювача частоти. Безпосередній пуск від джерела живлення генеруватиме великий пусковий струм. Коли використовується перетворювач частоти, вихідна напруга та частота перетворювача частоти поступово додаються до двигуна, тому пусковий струм двигуна та вплив зменшуються. Зазвичай крутний момент, що генерується двигуном, зменшується зі зменшенням частоти (зменшенням швидкості). Фактичні дані щодо зменшення будуть пояснені в деяких посібниках з перетворювачів частоти.
Звичайний двигун розроблений та виготовлений для напруги 50 Гц, а його номінальний крутний момент також заданий у цьому діапазоні напруги. Тому регулювання швидкості нижче номінальної частоти називається регулюванням швидкості з постійним крутним моментом. (T=Te, P<=Pe)
Коли вихідна частота перетворювача частоти перевищує 50 Гц, крутний момент, що генерується двигуном, зменшується лінійно, обернено пропорційно частоті.
Коли двигун працює на частоті понад 50 Гц, необхідно враховувати розмір навантаження двигуна, щоб запобігти недостатньому вихідному крутному моменту двигуна.
Наприклад, крутний момент, що генерується двигуном на частоті 100 Гц, зменшується приблизно до половини від крутного моменту, що генерується на частоті 50 Гц.
Отже, регулювання швидкості вище номінальної частоти називається регулюванням швидкості з постійною потужністю. (P=Ue*Ie).
5. Застосування перетворювача частоти вище 50 Гц
Для конкретного двигуна його номінальна напруга та номінальний струм є постійними.
Наприклад, якщо номінальні значення інвертора та двигуна становлять: 15 кВт/380 В/30 А, двигун може працювати на частоті вище 50 Гц.
Коли швидкість становить 50 Гц, вихідна напруга інвертора становить 380 В, а струм – 30 А. У цьому випадку, якщо вихідну частоту збільшити до 60 Гц, максимальна вихідна напруга та струм інвертора можуть становити лише 380 В/30 А. Очевидно, що вихідна потужність залишається незмінною, тому ми називаємо це регулюванням швидкості з постійною потужністю.
Який крутний момент у цей час?
Оскільки P=wT(w; кутова швидкість, T: крутний момент), то оскільки P залишається незмінним, а w збільшується, крутний момент відповідно зменшиться.
Ми також можемо поглянути на це з іншого боку:
Напруга статора двигуна становить U=E+I*R (I – струм, R – електронний опір, а E – індукований потенціал).
Можна побачити, що коли U та I не змінюються, E також не змінюється.
А E=k*f*X (k: константа; f: частота; X: магнітний потік), тому, коли f змінюється від 50 до 60 Гц, X відповідно зменшується.
Для двигуна T=K*I*X (K: постійна; I: струм; X: магнітний потік), тому крутний момент T зменшуватиметься зі зменшенням магнітного потоку X.
Водночас, коли частота менша за 50 Гц, оскільки I*R дуже мале, і U/f=E/f не змінюється, магнітний потік (X) є постійним. Крутний момент T пропорційний струму. Ось чому для опису його перевантажувальної (крутного моменту) здатності інвертора зазвичай використовується перевантажувальна здатність, і це називається регулюванням швидкості з постійним крутним моментом (номінальний струм залишається незмінним –> максимальний крутний момент залишається незмінним).
Висновок: Коли вихідна частота інвертора збільшується понад 50 Гц, вихідний крутний момент двигуна зменшується.
6. Інші фактори, пов'язані з вихідним крутним моментом
Тепловиділення та тепловіддача визначають вихідний струм інвертора, впливаючи таким чином на вихідний крутний момент інвертора.
1. Несуча частота: Номінальний струм, зазначений на інверторі, зазвичай є значенням, яке може забезпечити безперервну вихідну потужність на найвищій несучій частоті та найвищій температурі навколишнього середовища. Зниження несучої частоти не вплине на струм двигуна. Однак тепловиділення компонентів зменшиться.
2. Температура навколишнього середовища: Так само, як і значення струму захисту інвертора, не буде збільшуватися, якщо температура навколишнього середовища буде відносно низькою.
3. Висота над рівнем моря: Збільшення висоти над рівнем моря впливає на тепловіддачу та ізоляційні властивості. Зазвичай, на висоті нижче 1000 м цим можна знехтувати, а продуктивність може зменшуватися на 5% на кожні 1000 метрів вище.
7. Яка відповідна частота для перетворювача частоти для керування двигуном?
У наведеному вище короткому описі ми дізналися, чому інвертор використовується для керування двигуном, а також зрозуміли, як інвертор керує двигуном. Інвертор керує двигуном, що можна коротко описати наступним чином:
По-перше, інвертор контролює пускову напругу та частоту двигуна для досягнення плавного запуску та плавної зупинки;
По-друге, інвертор використовується для регулювання швидкості двигуна, а швидкість двигуна регулюється зміною частоти.
Двигун з постійними магнітами від Anhui MingtengПродукти керуються інвертором. У діапазоні навантаження 25%-120% вони мають вищий ККД та ширший робочий діапазон, ніж асинхронні двигуни з тими ж характеристиками, а також мають значний енергозберігаючий ефект.
Наші професійні техніки підберуть більш підходящий інвертор відповідно до конкретних умов роботи та фактичних потреб клієнтів, щоб досягти кращого контролю над двигуном та максимізувати його продуктивність. Крім того, наш відділ технічного обслуговування може дистанційно консультувати клієнтів щодо встановлення та налагодження інвертора, а також здійснювати всебічне супроводження та обслуговування до та після продажу.
Авторське право: Ця стаття є передруком публічного номера WeChat «Технічне навчання», оригінальне посилання https://mp.weixin.qq.com/s/eLgSvyLFTtslLF-m6wXMtA
Ця стаття не відображає погляди нашої компанії. Якщо у вас є інші думки чи погляди, будь ласка, виправте нас!
Час публікації: 09 вересня 2024 р.