Convertizoarele de frecvență în urmă cu 15 ani erau sisteme de pornire foarte scumpe și rare, care pentru majoritatea societății erau așa-numitele o „cutie neagră” la care trebuiau conectate cabluri de alimentare și de control. În prezent, convertizoarele de frecvență, adesea numite în mod obișnuit invertoare, sunt cea mai comună formă de pornire și reglare a vitezei de rotație a motoarelor. Nevoile în continuă creștere de automatizare a proceselor industriale, creșterea ratei de producție și eficiența acesteia sunt principalii factori care au influențat dezvoltarea pieței de invertoare în Polonia și în întreaga lume.
Saltul tehnologic al componentelor semiconductoare și prețul lor în scădere au avut, de asemenea, un rol important în acest sens. În prezent, convertoarele de frecvență se găsesc practic peste tot: în fabrici industriale, cafenele, stații de epurare, restaurante, magazine universale și case rezidențiale. Primele sisteme convertoare au fost create în anii 1960, dar în ciuda trecerii a 50 de ani de la premieră, principiile de bază de funcționare și diagrama bloc generală au rămas neschimbate.
În acest articol veți citi despre el:
- De ce convertizoarele de frecvență au câștigat atât de multă popularitate și sunt atât de necesare în diverse sectoare industriale?
- Cum arătau sistemele de pornire și reglare ale motoarelor asincrone și cu inducție în trecut și care au fost imperfecțiunile lor?
- Cum este reglată turația motorului și care sunt cele 4 metode de pornire?
- Veți afla, de asemenea, despre cum funcționează un invertor.
Verificați invertoarele la comerciantul cu ridicata Onninen
Reglarea vitezei motorului
Metode de reglare a vitezei:
- modificarea alunecării cauzată de includerea unui rezistor de comandă în circuitul rotoric al motorului cu inel colector. Această reglementare a avut o serie de dezavantaje: lipsa reglării vitezei maxime, pierderi mari de energie, rata de defecțiuni și un număr mare de rezistențe și elemente de contact, limitări mari ale puterii și numărului de porniri;
- modificarea numărului de perechi de poli motor. De asemenea, lipsa unei reglementări complete (schimbarea treptei a vitezei), prezența sistemelor de comutare;
- modificarea frecvenței care alimentează motorul (dificil de implementat).
Patru metode de pornire a motorului
Metode de pornire cu avantaje și dezavantaje:
- Pornire directă. Una dintre cele mai comune metode de pornire și una dintre cele mai nedorite, din cauza supratensiunii de curent foarte mare (de obicei curentul de pornire este de la 4 până la 8 ori curentul nominal) și a problemelor asociate cu acesta (stres mecanic, lovitură de berbec la pompe). , smucituri ale benzilor transportoare etc.);
- Pornire stea/delta. De asemenea, o metodă de pornire foarte populară. Dezavantajele includ: curent de pornire încă mare, cuplu de pornire scăzut, rata de defectare a elementelor de contact și de două ori mai multe intrări de cablu. Avantaje: limitarea curentului de pornire în timp, cost redus de instalare.
- Începând cu un soft starter. După cum sugerează și numele, soft starterele sunt dispozitive pentru pornirea și oprirea ușoară a motoarelor electrice. Din păcate, nu putem regla turația motorului folosind un demaror soft. Curentul de pornire, în funcție de metoda de pornire (controlul tensiunii, controlul cuplului în două sau trei faze) și numărul de faze controlabile, este de la 2 până la 6 ori curentul nominal. Avantaje: acumulare ușoară de curent (fără solicitări mecanice, fără supratensiuni de curent), timp de pornire reglabil, cuplu de pornire ridicat. Dezavantaje: lipsa perfecțiunii controlului la demaroarele soft cu două faze controlabile, fără reglare a vitezei.
- Începând cu un convertor de frecvență. Cea mai bună metodă posibilă de pornire a motorului datorită: curentului de pornire foarte scăzut (cu configurarea corespunzătoare a setărilor, curentul de pornire nu depășește curentul nominal), reglarea completă a turației motorului, protecția completă și supravegherea funcționării motorului, reactiv compensarea puterii, economisirea energiei electrice, reducerea costurilor mașinilor operaționale, minimizarea ratelor de defecțiuni etc.
Verificați produsele LS Electric la angrosismul Onninen
Diferite tipuri de convertoare de frecvență
Numeroase probleme și dificultăți rezultate din metodele de bază de pornire a motoarelor electrice au determinat și au forțat dezvoltarea rapidă și dinamică, în primul rând, a sistemelor de pornire progresivă cu tiristoare (demaroare soft), iar apoi a convertoarelor de frecvență. Aceste dispozitive sunt cea mai bună modalitate de a regla, proteja și controla motoarele electrice. Convertizoarele de frecvență obișnuite, standard, sunt utilizate pentru a opera motoare cu inducție asincrone.
Pe piata gasesti insa convertoare cu numerosi algoritmi de control destinati motoarelor sincrone (PMSM – motoare sincrone cu magnet permanent), motoare cu reluctanta sau BLDC (motoare DC fara perii cu magneti permanenti). Marea majoritate a industriei se concentrează în continuare pe motoarele cu inducție datorită prețului lor scăzut. După cum puteți vedea cu ușurință, utilizarea convertoarelor de frecvență aduce multe beneficii. Fără îndoială, aceasta este cea mai bună metodă de pornire și reglare a motoarelor. Ținând cont de tendința continuă de scădere a prețurilor convertoarelor și de creșterea liniară a capacităților acestora în timp, cererea pentru aceste dispozitive va continua să crească în următorii ani.
Blocurile componente principale ale invertorului
În fiecare convertizor de frecvență , putem distinge patru blocuri componente principale (vezi Fig. 1):
- Redresor, adică așa-numitul etapa de intrare;
- Dispunerea circuitului intermediar;
- Element invertor efectiv, treapta de iesire;
Verificați produsele LS Electric la angrosismul Onninen
Cum funcționează un convertor de frecvență?
Sarcina principală a etapei de intrare a convertorului este de a rectifica curentul alternativ extras de la o anumită sursă. Aici, ar trebui specificate mai multe modele de redresor: diodă necontrolabilă cu diferite numere de impulsuri (6, 12, 18, 24 și mai mult); pe jumătate controlabil (diodă - tiristor) și complet controlabil, pe baza tranzistoarelor IGBT.
Cele mai comune sunt modelele bazate pe redresoare cu diode. Acestea sunt, desigur, cele mai ieftine structuri, dar au și cel mai mare impact asupra THD (harmonic distortion coeficient). Redresorul cu diodă este o sarcină neliniară care are o influență puternică asupra distorsiunii curentului. Pentru a reduce factorul THD la o valoare adecvată, utilizați unul dintre filtrele THD disponibile: șocuri de intrare, șocuri în DC link, filtre LCL pasive, filtre THD active. Tensiunea pulsată redresată la ieșirea redresorului are o valoare de ordinul a 1,35 din valoarea efectivă a tensiunii fază-la-fază a rețelei.
Apoi semnalul ajunge la circuitul intermediar al convertorului, care formează de obicei un condensator sau o bancă de condensatoare. Circuitul intermediar are o dubla functie: netezeste tensiunea de pulsatie primita de la redresor si in acelasi timp stocheaza energia necesara actionarii motorului. Foarte des, producătorii includ, de asemenea, două elemente importante în circuitul intermediar: o bobina de curent continuu și un tranzistor de frânare (chopper).
- Un șoc DC este o modalitate de a trata conținutul armonic. De asemenea, îmbunătățește semnificativ factorul de putere.
- Un tranzistor de frânare este necesar atunci când este necesară oprirea foarte rapidă a inerției mari pe arborele motorului.
În timpul operațiunii de frânare, motorul trece la funcționarea regenerativă. Motorul devine un generator care furnizează energie convertizorului. Această energie este stocată pe condensator, care are o capacitate finită. După depășirea limitei de tensiune pe condensator, convertorul se oprește de la motor cu o eroare de tensiune prea mare pe condensator. Într-un astfel de caz, utilizați modulul de frânare încorporat (sau extern), care la rândul său este conectat rezistenta de franare . După depășirea limitei de încărcare, tranzistorul va transfera puterea rezistenței externe de frânare. Energia se va pierde pe rezistor sub formă de căldură, iar convertorul va controla constant motorul.
În spatele circuitului intermediar al convertorului, se află elementul invertor propriu-zis, care transformă tensiunea DC redresată în tensiune AC cu amplitudinea și frecvența corespunzătoare. Motorul este conectat direct la elementul invertorului. Componentele principale ale invertorului sunt semiconductori de putere controlată. Au fost tiristoare, ulterior datorită timpului de comutare mai rapid au fost înlocuite cu tranzistoare IGBT (tranzistor bipolar cu poartă izolată). Funcționarea semiconductorilor este în două stări, de unde adesea termenul „cheie tranzistor”.
Frecvența de comutare a tranzistoarelor ajunge la 20 KHz (20.000,00 modificări pe secundă!). Semiconductorii sunt comutați folosind semnalele de control generate în sistemul de control al convertorului. Semnalele de control pot fi generate în funcție de diverși algoritmi și metode. În prezent, cea mai comună metodă este modularea PWM (modularea lățimii pulsului).
Această metodă implică circuitul de control care determină durata perioadelor de pornire și oprire a perechilor corespunzătoare de tranzistoare. Trei ramuri de invertor (două tranzistoare pe ramură) generează opt combinații posibile deschise/închise ale supapelor semiconductoare. Acest lucru creează opt vectori de tensiune diferiți la ieșirile invertorului (vezi Fig. 2). Vectorii intermediari rămași sunt obținuți prin combinarea (însumarea) vectorilor principali selectați pentru timpi corespunzători.
În funcție de frecvența de comutare a supapelor semiconductoare, la ieșirea invertorului apare o sinusoidă de formă mai mult sau mai puțin blândă. De obicei, utilizatorul are opțiunea de a seta frecvența purtătoare corespunzătoare în dispozitivul însuși. Prin setarea frecvenței purtătoarei prea mare, se va elibera prea multă căldură pe semiconductori, ceea ce duce la o pierdere a puterii convertorului (producătorii furnizează, de obicei, diagrame ale frecvenței purtătoarei în raport cu puterea în manualele de utilizare, dacă valoarea este setată prea scăzută). , motorul poate începe să facă zgomot.
Convertizoare de frecvență - control scalar și vectorial
Fiecare convertor de frecvență produs în prezent are opțiunea de control scalar și vectorial. Controlul scalar, adesea numit control U/f (se citește U la f), este cel mai simplu mod de control al motorului care nu s-a schimbat din anii 1970.
Modul scalar se bazează pe un raport constant tensiune/frecvență. Fără a intra în prea multe detalii și matematică superioară, un raport constant tensiune/frecvență asigură crearea fluxului magnetic nominal în motor. Prin urmare, cuplul maxim poate fi atins. Din păcate, controlul scalar are dezavantajele sale. La frecvențe joase, cuplul este foarte scăzut și adesea prea mic pentru a funcționa cu inerții mari. Prin urmare, controlul scalar este utilizat în principal pentru sarcini variabile de cuplu, cum ar fi pompe sau ventilatoare. Atunci când este nevoie de a opera cu sarcini constante de cuplu sau inerții mari care necesită un cuplu de pornire mare, trebuie selectat controlul vectorial (descris mai sus ca modulație PWM cu control vectorial al tensiunii).
Controlul vectorial este mai rafinat. Adesea, pentru a utiliza această metodă de control, trebuie mai întâi să furnizați toate datele de clasificare a motorului, cum ar fi: curent, tensiune, putere, număr de rotații, număr de poli, alunecare, factor de putere. Apoi convertizorul efectuează așa-numitele operații. autotuning motor, adică estimează și calculează automat alte date ale motorului cu și fără rotație a motorului (rezistența înfășurării și inducția, constanta de timp a rotorului și multe altele).
Cu control vectorial, convertorul folosește un model matematic al motorului implementat în procesorul de semnal. Prin urmare, este atât de important să salvați întotdeauna toate datele motorului în convertor (cu cât mai mult și mai precis, cu atât controlul motorului este mai bun) și să efectuați periodic reglarea automată (parametrii motorului se modifică în timp și odată cu modificările condițiilor de mediu).