Frekvenční měniče byly před 15 lety velmi drahé a vzácné startovací systémy, které pro většinovou společnost představovaly tzv. „černou skříňku“, do které bylo nutné připojit napájecí a ovládací kabely. V současné době jsou frekvenční měniče, často běžně nazývané invertory, nejběžnější formou spouštění a regulace otáček motorů. Neustále se zvyšující potřeby automatizace průmyslových procesů, zvyšování rychlosti výroby a její efektivity jsou hlavními faktory, které ovlivnily vývoj trhu s měniči v Polsku a ve světě.
Velký podíl na tom měl i technologický skok v polovodičových součástkách a jejich klesající cena. V současné době lze frekvenční měniče nalézt prakticky všude: v průmyslových provozech, kavárnách, čistírnách odpadních vod, restauracích, obchodních domech i obytných domech. První konvertorové systémy vznikly v 60. letech 20. století, ale i přes 50 let od jejich premiéry zůstaly základní principy fungování a obecné blokové schéma nezměněny.
V tomto článku se o tom dočtete:
- Proč si frekvenční měniče získaly takovou oblibu a jsou tak potřebné v různých průmyslových odvětvích?
- Jak vypadaly startovací a regulační systémy asynchronních a indukčních motorů v minulosti a jaké byly jejich nedokonalosti?
- Jak se regulují otáčky motoru a jaké jsou 4 způsoby jeho startování?
- Dozvíte se také, jak funguje střídač.
Prohlédněte si měniče u velkoobchodu Onninen
Regulace otáček motoru
Způsoby nastavení rychlosti:
- změna skluzu způsobená zařazením řídicího odporu do obvodu rotoru kroužkového motoru. Tato regulace měla řadu nevýhod: absence regulace plné rychlosti, vysoké energetické ztráty, poruchovost a velký počet rezistorů a kontaktních prvků, velká omezení výkonu a počtu startů;
- změna počtu párů pólů motoru. Také nedostatek plné regulace (kroková změna rychlosti), přítomnost spínacích systémů;
- změna frekvence napájející motor (obtížně realizovatelné).
Čtyři způsoby spouštění motoru
Počáteční metody s výhodami a nevýhodami:
- Přímý start. Jedna z nejběžnějších metod spouštění a jedna z nejvíce nežádoucích kvůli velmi velkému proudovému rázu (typicky je startovací proud 4 až 8násobek jmenovitého proudu) a problémům s tím spojeným (mechanické namáhání, vodní rázy u čerpadel , trhání dopravníků atd. .);
- Startování hvězda/trojúhelník. Také velmi populární metoda bootování. Mezi nevýhody patří: stále vysoký rozběhový proud, nízký rozběhový moment, poruchovost kontaktních prvků a dvojnásobný počet kabelových vstupů. Výhody: omezení startovacího proudu v čase, nízké náklady na instalaci.
- Počínaje softstartérem. Jak název napovídá, softstartéry jsou zařízení pro pozvolné spouštění a zastavování elektromotorů. Bohužel nejsme schopni regulovat otáčky motoru pomocí softstartéru. Startovací proud v závislosti na způsobu rozběhu (regulace napětí, regulace momentu ve dvou nebo třech fázích) a počtu řiditelných fází je od 2 do 6 násobku jmenovitého proudu. Výhody: jemný nárůst proudu (žádné mechanické namáhání, žádné proudové rázy), nastavitelná doba rozběhu, vysoký rozběhový moment. Nevýhody: nedostatečná dokonalost ovládání u softstartérů s řiditelnými dvěma fázemi, žádná regulace otáček.
- Počínaje frekvenčním měničem. Nejlepší možný způsob spouštění motoru díky: velmi nízkému startovacímu proudu (při vhodné konfiguraci nastavení startovací proud nepřekračuje jmenovitý proud), plné regulaci otáček motoru, plné ochraně a dohledu nad chodem motoru, kompenzaci jalového výkonu , úspora elektrické energie, snížení nákladů na provoz strojů, minimalizace poruchovosti atd.
Prohlédněte si produkty LS Electric u velkoobchodu Onninen
Různé typy frekvenčních měničů
Četné problémy a obtíže vyplývající ze základních způsobů spouštění elektromotorů způsobily a vynutily si rychlý a dynamický rozvoj především tyristorových softstartérů (softstartérů) a poté frekvenčních měničů. Tato zařízení jsou nejlepším způsobem regulace, ochrany a ovládání elektromotorů. Pro provoz asynchronních indukčních motorů se používají typické standardní frekvenční měniče.
Na trhu však najdete měniče s četnými řídicími algoritmy určenými pro synchronní motory (PMSM - synchronní motory s permanentními magnety), reluktanční motory nebo BLDC (bezkomutátorové stejnosměrné motory s permanentními magnety). Naprostá většina průmyslu se stále zaměřuje na indukční motory kvůli jejich nízké ceně. Jak můžete snadno vidět, používání frekvenčních měničů přináší mnoho výhod. Bezpochyby je to nejlepší způsob spouštění a regulace motorů. S přihlédnutím k neustálému klesajícímu trendu cen konvertorů a lineárnímu nárůstu jejich schopností v čase bude poptávka po těchto zařízeních v příštích letech nadále narůstat.
Hlavní součást bloky střídače
V každé frekvenčního měniče , můžeme rozlišit čtyři hlavní bloky komponent (viz obr. 1):
- Usměrňovač, tedy tzv vstupní fáze;
- Uspořádání meziobvodu;
- Aktuální invertorový prvek, koncový stupeň;
Prohlédněte si produkty LS Electric u velkoobchodu Onninen
Jak funguje frekvenční měnič?
Hlavním úkolem vstupního stupně měniče je usměrnění střídavého proudu odebíraného z daného zdroje. Zde je třeba specifikovat několik provedení usměrňovačů: neovladatelná dioda s různým počtem impulsů (6, 12, 18, 24 a více); polovičně řiditelný (dioda - tyristor) a plně řiditelný, na bázi IGBT tranzistorů.
Nejběžnější jsou konstrukce založené na diodových usměrňovačích. Jsou to samozřejmě nejlevnější struktury, ale také mají největší vliv na THD (koeficient harmonického zkreslení). Diodový usměrňovač je nelineární zátěž, která má silný vliv na zkreslení proudu. Chcete-li snížit faktor THD na vhodnou hodnotu, použijte jeden z dostupných filtrů THD: vstupní tlumivky, tlumivky meziobvodu, pasivní filtry LCL, aktivní filtry THD. Usměrněné pulzní napětí na výstupu usměrňovače má hodnotu řádově 1,35 efektivní hodnoty sdruženého napětí sítě.
Poté jde signál do meziobvodu převodníku, který obvykle tvoří kondenzátor nebo kondenzátorovou banku. Meziobvod má dvojí funkci: vyhlazuje pulsační napětí přijímané z usměrňovače a zároveň ukládá energii potřebnou k pohonu motoru. Velmi často výrobci zařazují do meziobvodu také dva důležité prvky: stejnosměrnou tlumivku a brzdný tranzistor (chopper).
- Stejnosměrná tlumivka je jedním ze způsobů, jak se vypořádat s harmonickým obsahem. Výrazně také zlepšuje účiník.
- Brzdný tranzistor je nutný, když je potřeba velmi rychle zastavit vysokou setrvačnost na hřídeli motoru.
Během brzdění se motor přepne na rekuperační provoz. Motor se stává generátorem, který dodává energii do měniče. Tato energie je uložena na kondenzátoru, který má konečnou kapacitu. Po překročení meze napětí na kondenzátoru se měnič odpojí od motoru s chybou příliš vysokého napětí na kondenzátoru. V takovém případě použijte vestavěný (nebo externí) brzdový modul, ke kterému je zase připojen brzdný odpor . Po překročení limitu nabití tranzistor přenese energii na externí brzdný odpor. Energie se ztratí na rezistoru ve formě tepla a měnič bude neustále řídit motor.
Za meziobvodem měniče je vlastní invertorový prvek, který převádí usměrněné stejnosměrné napětí na střídavé napětí s příslušnou amplitudou a frekvencí. Motor je připojen přímo k invertorovému prvku. Hlavními součástmi měniče jsou řízené výkonové polovodiče. Dříve to byly tyristory, později kvůli rychlejší spínací době byly nahrazeny tranzistory IGBT (bipolární tranzistor s izolovaným hradlem). Činnost polovodičů je dvoustavová, proto se často nazývá „tranzistorový spínač“.
Spínací frekvence tranzistorů dosahuje 20 kHz (20 000,00 změn za sekundu!). Polovodiče jsou spínány pomocí řídicích signálů generovaných v řídicím systému měniče. Řídicí signály mohou být generovány podle různých algoritmů a metod. V současnosti je nejrozšířenější metodou PWM modulace (pulzně šířková modulace).
Tato metoda zahrnuje řídicí obvod určující dobu trvání period zapínání a vypínání příslušných párů tranzistorů. Tři větve invertoru (dva tranzistory na větev) generují osm možných kombinací otevření/zavření polovodičových ventilů. Na výstupech měniče tak vznikne osm různých vektorů napětí (viz obr. 2). Zbývající mezilehlé vektory se získají kombinací (součtem) vybraných hlavních vektorů pro vhodné časy.
V závislosti na spínací frekvenci polovodičových ventilů se na výstupu měniče objeví sinusoida více či méně jemného tvaru. Obvykle má uživatel možnost nastavit vhodnou nosnou frekvenci v samotném zařízení. Nastavením příliš vysoké nosné frekvence se na polovodiče uvolní příliš mnoho tepla, což má za následek ztrátu výkonu měniče (výrobci obvykle poskytují grafy nosné frekvence versus výkon v uživatelských příručkách, pokud je hodnota nastavena příliš nízko). , motor může začít vydávat hluk.
Frekvenční měniče - skalární a vektorové řízení
Každý aktuálně vyráběný frekvenční měnič má možnost jak skalárního, tak vektorového řízení. Skalární řízení, často nazývané řízení U/f (čti U až f), je nejjednodušší způsob řízení motoru, který se od 70. let nezměnil.
Skalární režim je založen na konstantním poměru napětí a frekvence. Aniž bychom zacházeli do přílišných detailů a vyšší matematiky, konstantní poměr napětí a frekvence zajišťuje vytvoření jmenovitého magnetického toku v motoru. Proto lze dosáhnout maximálního točivého momentu. Skalární řízení má bohužel své nevýhody. Při nízkých frekvencích je točivý moment velmi nízký a často příliš malý pro provoz s vysokou setrvačností. Skalární řízení se proto používá hlavně pro zatížení s proměnným momentem, jako jsou čerpadla nebo ventilátory. Pokud je potřeba pracovat s konstantním točivým zatížením nebo velkou setrvačností, která vyžaduje velký rozběhový moment, mělo by být zvoleno vektorové řízení (popsané výše jako PWM modulace s napěťovým vektorovým řízením).
Vektorové ovládání je rafinovanější. Chcete-li použít tuto metodu řízení, musíte často nejprve poskytnout všechny jmenovité údaje motoru, jako jsou: proud, napětí, výkon, počet otáček, počet pólů, skluz, účiník. Poté převodník provede tzv. operace. autotuning motoru, tj. automaticky odhaduje a vypočítává další data motoru s rotací motoru i bez něj (odpor a indukce vinutí, časová konstanta rotoru a mnoho dalších).
Při vektorovém řízení převodník využívá matematický model motoru implementovaný v signálovém procesoru. Proto je tak důležité vždy ukládat všechna data motoru do měniče (čím více a přesněji, tím lepší ovládání motoru) a periodicky provádět auto-tuning (parametry motoru se mění v čase a se změnami podmínek prostředí).