A frekvenciaváltók 15 évvel ezelőtt nagyon drága és ritka indítórendszerek voltak, amelyek a társadalom többsége számára az ún. egy „fekete doboz”, amelyhez a táp- és vezérlőkábeleket kellett csatlakoztatni. Jelenleg a frekvenciaváltók, amelyeket gyakran invertereknek neveznek, a motorok indításának és fordulatszámának szabályozásának leggyakoribb formája. Az ipari folyamatok automatizálása iránti folyamatosan növekvő igények, a termelési sebesség és annak hatékonyságának növekedése a fő tényezők, amelyek befolyásolták az inverter piac fejlődését Lengyelországban és világszerte.
Ebben nagy szerepe volt a félvezető alkatrészek technológiai ugrásának és csökkenő árának is. Jelenleg gyakorlatilag mindenhol megtalálható frekvenciaváltó: ipari üzemekben, kávézókban, szennyvíztisztítókban, éttermekben, áruházakban és lakóházakban. Az első átalakító rendszereket az 1960-as években hozták létre, de a premier óta eltelt 50 év ellenére a működési elvek és az általános blokkvázlat változatlanok maradtak.
Ebben a cikkben erről olvashat:
- Miért tettek szert ekkora népszerűségre a frekvenciaváltók, és miért van rájuk olyan nagy szükség a különböző iparágakban?
- Hogyan néztek ki a múltban az aszinkron és aszinkron motorok indító- és szabályzórendszerei, és milyen tökéletlenségeik voltak?
- Hogyan szabályozható a motor fordulatszáma, és mi a 4 indítási módja?
- Azt is megtudhatja, hogyan működik az inverter.
Tekintse meg az invertereket az Onninen nagykereskedésében
Motor fordulatszám szabályozás
Sebesség beállítási módszerek:
- a csúszógyűrűs motor forgórész áramkörébe vezérlő ellenállás beépítése okozta csúszási változás. Ennek a szabályozásnak számos hátránya volt: a teljes fordulatszám szabályozásának hiánya, nagy energiaveszteség, meghibásodási arány és nagy számú ellenállás és érintkezőelem, nagy teljesítménykorlátozás és indítások száma;
- a motor póluspárjainak számának megváltoztatása. Szintén a teljes szabályozás hiánya (lépcsős sebességváltás), kapcsolórendszerek jelenléte;
- a motort tápláló frekvencia megváltoztatása (nehezen kivitelezhető).
A motor indításának négy módja
Kezdő módszerek előnyeivel és hátrányaival:
- Közvetlen indítás. Az egyik legelterjedtebb indítási mód és az egyik legnemkívánatosabb, a nagyon nagy áramlökés (jellemzően az indítóáram a névleges áram 4-8-szorosa) és az ezzel kapcsolatos problémák (mechanikai igénybevétel, vízkalapács a szivattyúkon) miatt. , szállítószalagok rántásai stb.);
- Star/Delta Indulás. Szintén nagyon népszerű boot módszer. A hátrányok közé tartozik: még mindig magas indítóáram, alacsony indítónyomaték, az érintkezőelemek meghibásodási aránya és kétszer annyi kábelbevezetés. Előnyök: az indítási áram időbeli korlátozása, alacsony telepítési költség.
- Lágyindítóval kezdve. Ahogy a neve is sugallja, a lágyindítók elektromos motorok lágy indítására és leállítására szolgáló eszközök. Sajnos a motor fordulatszámát lágyindítóval nem tudjuk szabályozni. Az indítóáram az indítási módtól (feszültségszabályozás, nyomatékszabályozás két vagy három fázisban) és a szabályozható fázisok számától függően a névleges áram 2-6-szorosa. Előnyök: enyhe áramfelvétel (nincs mechanikai igénybevétel, nincs áramingadozás), állítható indítási idő, nagy indítási nyomaték. Hátrányok: a vezérlés tökéletességének hiánya szabályozható kétfázisú lágyindítókban, nincs sebességszabályozás.
- Frekvenciaváltóval kezdve. A lehető legjobb motorindítási mód: nagyon alacsony indítóáram (megfelelő beállításokkal az indítóáram nem haladja meg a névleges áramot), a motor fordulatszámának teljes szabályozása, a motor működésének teljes védelme és felügyelete, reaktív teljesítménykompenzáció, villamos energia megtakarítás, üzemi gépek költségeinek csökkentése, meghibásodási arány minimalizálása stb.
Tekintse meg az LS Electric termékeit az Onninen nagykereskedésében
Különböző típusú frekvenciaváltók
A villanymotorok alapvető indítási módszereiből adódó számos probléma és nehézség okozta és kényszerítette ki elsősorban a tirisztoros lágyindító rendszerek (lágyindítók), majd a frekvenciaváltók gyors és dinamikus fejlődését. Ezek az eszközök a legjobb módja az elektromos motorok szabályozásának, védelmének és vezérlésének. Az aszinkron indukciós motorok működtetésére tipikus, szabványos frekvenciaváltókat használnak.
A piacon azonban számos vezérlőalgoritmussal rendelkező átalakítót találhat szinkron motorokhoz (PMSM - állandó mágneses szinkronmotorok), reluktancia motorokhoz vagy BLDC-hez (kefe nélküli DC motorok állandó mágnessel). Az ipar túlnyomó többsége továbbra is az indukciós motorokra koncentrál azok alacsony ára miatt. Mint látható, a frekvenciaváltók használata számos előnnyel jár. Kétségtelenül ez a legjobb módszer a motorok indítására és szabályozására. Figyelembe véve a konverterek árának folyamatos csökkenő tendenciáját és a képességeik idővel lineáris növekedését, a következő években tovább fog növekedni a kereslet ezen eszközök iránt.
Az inverter fő alkotóelemei
Mindegyikben frekvenciaváltó négy fő alkatrészblokkot különböztethetünk meg (lásd 1. ábra):
- Egyenirányító, azaz az ún belépési szakasz;
- Köztes áramkör elrendezése;
- Aktuális inverter elem, végfok;
Tekintse meg az LS Electric termékeit az Onninen nagykereskedésében
Hogyan működik a frekvenciaváltó?
Az átalakító bemeneti fokozatának fő feladata az adott forrásból felvett váltóáram egyenirányítása. Itt több egyenirányító kialakítást kell megadni: vezérelhetetlen dióda különböző számú impulzussal (6, 12, 18, 24 és több); félig vezérelhető (dióda - tirisztor) és teljesen vezérelhető, IGBT tranzisztorok alapján.
A legelterjedtebbek a dióda egyenirányítókon alapuló kialakítások. Természetesen ezek a legolcsóbb szerkezetek, de ezeknek van a legnagyobb hatása a THD-re (harmonikus torzítási együttható). A dióda egyenirányító egy nemlineáris terhelés, amely erősen befolyásolja az áramtorzítást. A THD-tényező megfelelő értékre való csökkentéséhez használja az elérhető THD-szűrők egyikét: bemeneti fojtótekercsek, fojtók a DC-körben, passzív LCL-szűrők, aktív THD-szűrők. Az egyenirányító kimenetén lévő egyenirányított impulzusfeszültség nagyságrendje a hálózat fázis-fázisfeszültségének effektív értékének 1,35-e.
Ezután a jel az átalakító közbenső áramkörébe kerül, amely általában kondenzátort vagy kondenzátortelepet képez. A közbenső körnek kettős funkciója van: kisimítja az egyenirányítótól kapott pulzációs feszültséget, és egyben tárolja a motor hajtásához szükséges energiát. Nagyon gyakran a gyártók két fontos elemet is beépítenek a közbenső áramkörbe: egy egyenáramú fojtótekercset és egy féktranzisztort (choppert).
- Az egyenáramú fojtó a harmonikus tartalom kezelésének egyik módja. Jelentősen javítja a teljesítménytényezőt is.
- Féktranzisztorra akkor van szükség, ha nagyon gyorsan meg kell állítani a nagy tehetetlenségi nyomatékot a motor tengelyén.
Fékezés közben a motor regeneratív üzemmódra kapcsol. A motor generátorrá válik, amely energiával látja el az átalakítót. Ez az energia a kondenzátoron tárolódik, amelynek véges kapacitása van. A kondenzátor feszültséghatárának túllépése után az átalakító lekapcsol a motorról a kondenzátor túl magas feszültségének hibájával. Ilyen esetben használja a beépített (vagy külső) fékmodult, amely viszont csatlakoztatva van fékellenállás . A töltési határ túllépése után a tranzisztor átadja a teljesítményt a külső fékellenállásnak. Az ellenálláson az energia hő formájában elvész, és az átalakító folyamatosan vezérli a motort.
Az átalakító közbenső áramköre mögött található a tulajdonképpeni inverter elem, amely az egyenirányított egyenfeszültséget megfelelő amplitúdójú és frekvenciájú váltakozó feszültséggé alakítja át. A motor közvetlenül az inverter elemhez csatlakozik. Az inverter fő alkotóelemei vezérelt teljesítményű félvezetők. Korábban tirisztorok voltak, később a gyorsabb kapcsolási idő miatt IGBT tranzisztorokra (szigetelt kapus bipoláris tranzisztor) váltották fel. A félvezetők működése kétállapotú, innen ered a gyakran "tranzisztoros kapcsoló" kifejezés.
A tranzisztorok kapcsolási frekvenciája eléri a 20 KHz-et (20 000,00 változás másodpercenként!). A félvezetők kapcsolása az átalakító vezérlőrendszerében generált vezérlőjelek segítségével történik. A vezérlőjelek különféle algoritmusok és módszerek szerint generálhatók. Jelenleg a legelterjedtebb módszer a PWM moduláció (impulzusszélesség-moduláció).
Ez a módszer magában foglalja a vezérlő áramkört, amely meghatározza a megfelelő tranzisztorpárok be- és kikapcsolási periódusainak időtartamát. Három inverter ág (ágonként két tranzisztor) a félvezető szelepek nyolc lehetséges nyitási/zárási kombinációját hozza létre. Ez nyolc különböző feszültségvektort hoz létre az inverter kimenetein (lásd 2. ábra). A fennmaradó köztes vektorokat úgy kapjuk meg, hogy a kiválasztott fővektorokat megfelelő időre kombináljuk (összeadjuk).
A félvezető szelepek kapcsolási frekvenciájától függően az inverter kimenetén egy többé-kevésbé szelíd alakú szinusz jelenik meg. Általában a felhasználónak lehetősége van a megfelelő vivőfrekvencia beállítására magában a készülékben. A vivőfrekvencia túl magasra állításával túl sok hő szabadul fel a félvezetőkön, ami az átalakító teljesítményének elvesztését eredményezi (a gyártók általában táblázatot adnak a vivőfrekvenciáról a teljesítmény függvényében, ha az érték túl alacsony). , a motor hangot hallhat.
Frekvenciaváltók - skaláris és vektoros vezérlés
Minden jelenleg gyártott frekvenciaváltó rendelkezik skaláris és vektorvezérlési lehetőséggel. A skaláris szabályozás, amelyet gyakran U/f (U-tól f-ig) vezérlésnek neveznek, a motorvezérlés legegyszerűbb módja, amely az 1970-es évek óta nem változott.
A skaláris mód állandó feszültség-frekvencia arányon alapul. Anélkül, hogy túl sok részletbe mennénk, és magasabb matematikailag, az állandó feszültség/frekvencia arány biztosítja a névleges mágneses fluxus létrehozását a motorban. Így a maximális nyomaték érhető el. Sajnos a skaláris szabályozásnak megvannak a maga hátrányai. Alacsony frekvenciákon a nyomaték nagyon alacsony, és gyakran túl kicsi ahhoz, hogy nagy tehetetlenséggel működjön. Ezért a skaláris szabályozást főként változó nyomatékú terheléseknél, például szivattyúknál vagy ventilátoroknál alkalmazzák. Ha állandó nyomatékterheléssel vagy nagy tehetetlenséggel kell működni, amely nagy indítónyomatékot igényel, akkor vektorvezérlést kell választani (a fentebb PWM moduláció feszültségvektor-vezérléssel) kell választani.
Vektoros vezérlés kifinomultabb. Gyakran ennek a szabályozási módszernek a használatához először meg kell adnia a motor összes névleges adatát, például: áram, feszültség, teljesítmény, fordulatok száma, pólusok száma, szlip, teljesítménytényező. Ezután a konverter elvégzi az úgynevezett műveleteket. motor autotuning, azaz más motoradatokat automatikusan megbecsül és kiszámít a motor forgásával és anélkül (tekercsellenállás és indukció, rotor időállandó és még sok más).
A vektorvezérléssel a konverter a motor jelfeldolgozóba implementált matematikai modelljét használja. Ezért nagyon fontos, hogy minden motoradatot mindig a konverterben tároljunk (minél több és pontosabban, annál jobb a motorvezérlés), és rendszeresen végezzünk automatikus hangolást (a motor paraméterei idővel és a környezeti feltételek változásával változnak).