Frekvenčné meniče boli pred 15 rokmi veľmi drahé a zriedkavé štartovacie systémy, ktoré pre väčšinu spoločnosti predstavovali tzv. „čierna skrinka“, ku ktorej bolo potrebné pripojiť napájacie a ovládacie káble. V súčasnosti sú frekvenčné meniče, často nazývané invertory, najbežnejšou formou spúšťania a regulácie otáčok motorov. Neustále sa zvyšujúce potreby automatizácie priemyselných procesov, zvyšovanie rýchlosti výroby a jej efektívnosti sú hlavnými faktormi, ktoré ovplyvnili vývoj trhu s invertormi v Poľsku a vo svete.
Veľký podiel na tom mal aj technologický skok v oblasti polovodičových súčiastok a ich klesajúca cena. V súčasnosti možno frekvenčné meniče nájsť prakticky všade: v priemyselných prevádzkach, kaviarňach, čističkách odpadových vôd, reštauráciách, obchodných domoch a obytných domoch. Prvé konvertorové systémy vznikli v 60. rokoch 20. storočia, no napriek tomu, že od ich premiéry uplynulo 50 rokov, základné princípy fungovania a všeobecná bloková schéma zostali nezmenené.
V tomto článku sa o tom dočítate:
- Prečo si frekvenčné meniče získali takú popularitu a sú také potrebné v rôznych priemyselných odvetviach?
- Ako vyzerali štartovacie a regulačné systémy asynchrónnych a indukčných motorov v minulosti a aké boli ich nedokonalosti?
- Ako sa regulujú otáčky motora a aké sú 4 spôsoby jeho štartovania?
- Dozviete sa tiež, ako funguje invertor.
Pozrite si meniče u veľkoobchodu Onninen
Regulácia otáčok motora
Metódy nastavenia rýchlosti:
- zmena sklzu spôsobená zahrnutím riadiaceho odporu do obvodu rotora motora so zberacími krúžkami. Táto regulácia mala množstvo nevýhod: chýbajúcu reguláciu plnej rýchlosti, vysoké energetické straty, poruchovosť a veľký počet rezistorov a kontaktných prvkov, veľké obmedzenia výkonu a počtu štartov;
- zmena počtu párov pólov motora. Tiež nedostatok úplnej regulácie (kroková zmena rýchlosti), prítomnosť spínacích systémov;
- zmena frekvencie napájajúcej motor (ťažko realizovateľné).
Štyri spôsoby štartovania motora
Počiatočné metódy s výhodami a nevýhodami:
- Priamy štart. Jedna z najbežnejších metód spúšťania a jedna z najnežiaducejších z dôvodu veľmi veľkého prúdového rázu (štandardný štartovací prúd je 4 až 8-násobok menovitého prúdu) a problémov s tým spojených (mechanické namáhanie, vodné rázy na čerpadlách trhanie dopravníkov atď.);
- Štartovanie hviezda/trojuholník. Tiež veľmi populárny spôsob zavádzania. Nevýhody zahŕňajú: stále vysoký rozbehový prúd, nízky rozbehový moment, poruchovosť kontaktných prvkov a dvojnásobný počet káblových vstupov. Výhody: obmedzenie štartovacieho prúdu v čase, nízke náklady na inštaláciu.
- Počnúc softštartérom. Ako už názov napovedá, softštartéry sú zariadenia na jemné spustenie a zastavenie elektromotorov. Bohužiaľ nie sme schopní regulovať otáčky motora pomocou softštartéra. Rozbehový prúd v závislosti od spôsobu rozbehu (regulácia napätia, regulácia momentu v dvoch alebo troch fázach) a počtu regulovateľných fáz je od 2 do 6-násobku menovitého prúdu. Výhody: jemný nárast prúdu (žiadne mechanické namáhanie, žiadne prúdové rázy), nastaviteľný čas rozbehu, vysoký rozbehový moment. Nevýhody: nedostatok dokonalosti ovládania v softštartéroch s ovládateľnými dvoma fázami, žiadna regulácia otáčok.
- Počnúc frekvenčným meničom. Najlepší možný spôsob štartovania motora vďaka: veľmi nízkemu štartovaciemu prúdu (pri vhodnej konfigurácii nastavení štartovací prúd neprekročí menovitý prúd), plná regulácia otáčok motora, plná ochrana a dohľad nad chodom motora, reaktívny kompenzácia výkonu, úspora elektrickej energie, zníženie nákladov na prevádzku strojov, minimalizácia poruchovosti a pod.
Pozrite si produkty LS Electric vo veľkoobchode Onninen
Rôzne typy frekvenčných meničov
Početné problémy a ťažkosti vyplývajúce zo základných spôsobov štartovania elektromotorov spôsobili a vynútili si rýchly a dynamický rozvoj predovšetkým tyristorových systémov mäkkého štartu (softštartéry) a potom frekvenčných meničov. Tieto zariadenia sú najlepším spôsobom regulácie, ochrany a ovládania elektromotorov. Typické štandardné frekvenčné meniče sa používajú na prevádzku asynchrónnych indukčných motorov.
Na trhu však nájdete meniče s množstvom riadiacich algoritmov určených pre synchrónne motory (PMSM - synchrónne motory s permanentným magnetom), reluktančné motory alebo BLDC (bezkefkové jednosmerné motory s permanentnými magnetmi). Veľká väčšina priemyslu sa stále zameriava na indukčné motory kvôli ich nízkej cene. Ako môžete ľahko vidieť, používanie frekvenčných meničov prináša mnoho výhod. Bezpochyby je to najlepší spôsob štartovania a regulácie motorov. Ak vezmeme do úvahy neustály klesajúci trend cien konvertorov a lineárny nárast ich schopností v čase, dopyt po týchto zariadeniach sa bude v nasledujúcich rokoch naďalej zvyšovať.
Bloky hlavných komponentov meniča
V každom frekvenčný menič , môžeme rozlíšiť štyri hlavné súčiastky blokov (pozri obr. 1):
- Usmerňovač, teda tzv vstupná fáza;
- Rozloženie stredného okruhu;
- Aktuálny invertorový prvok, koncový stupeň;
Pozrite si produkty LS Electric vo veľkoobchode Onninen
Ako funguje frekvenčný menič?
Hlavnou úlohou vstupného stupňa meniča je usmernenie striedavého prúdu odoberaného z daného zdroja. Tu by sa malo špecifikovať niekoľko návrhov usmerňovačov: nekontrolovateľná dióda s rôznym počtom impulzov (6, 12, 18, 24 a viac); polovične regulovateľné (dióda - tyristor) a plne regulovateľné, na báze IGBT tranzistorov.
Najbežnejšie sú konštrukcie založené na diódových usmerňovačoch. Ide samozrejme o najlacnejšie štruktúry, no zároveň majú najväčší vplyv na THD (harmonický faktor skreslenia). Diódový usmerňovač je nelineárna záťaž, ktorá má silný vplyv na skreslenie prúdu. Na zníženie THD faktora na vhodnú hodnotu použite jeden z dostupných THD filtrov: vstupné tlmivky, tlmivky v medziobvode, pasívne LCL filtre, aktívne THD filtre. Usmernené impulzné napätie na výstupe usmerňovača má hodnotu rádovo 1,35 efektívnej hodnoty medzifázového napätia siete.
Potom signál ide do medziobvodu meniča, ktorý zvyčajne tvorí kondenzátor alebo kondenzátorovú banku. Medziobvod má dvojitú funkciu: vyhladzuje pulzujúce napätie prijaté z usmerňovača a zároveň ukladá energiu potrebnú na pohon motora. Veľmi často výrobcovia zaraďujú do medziobvodu aj dva dôležité prvky: jednosmernú tlmivku a brzdný tranzistor (chopper).
- Jednosmerná tlmivka je jedným zo spôsobov, ako sa vysporiadať s harmonickým obsahom. Výrazne zlepšuje aj účinník.
- Brzdný tranzistor je potrebný, keď je potrebné veľmi rýchlo zastaviť vysokú zotrvačnosť na hriadeli motora.
Počas brzdenia sa motor prepne na regeneračnú prevádzku. Motor sa stáva generátorom, ktorý dodáva energiu meniču. Táto energia je uložená na kondenzátore, ktorý má konečnú kapacitu. Po prekročení limitu napätia na kondenzátore sa menič odpojí od motora s chybou príliš vysokého napätia na kondenzátore. V takom prípade použite vstavaný (alebo externý) brzdový modul, ku ktorému je zase pripojený brzdový odpor . Po prekročení limitu nabitia prenesie tranzistor výkon na externý brzdný odpor. Energia sa stratí na rezistore vo forme tepla a menič bude neustále riadiť motor.
Za medziobvodom meniča sa nachádza vlastný invertorový prvok, ktorý premieňa usmernené jednosmerné napätie na striedavé napätie s príslušnou amplitúdou a frekvenciou. Motor je pripojený priamo k invertorovému prvku. Hlavnými komponentmi meniča sú riadené výkonové polovodiče. Kedysi to boli tyristory, neskôr kvôli rýchlejšiemu spínaciemu času boli nahradené IGBT tranzistormi (bipolárny tranzistor s izolovaným hradlom). Činnosť polovodičov je dvojstavová, preto sa často nazýva "tranzistorový spínač".
Spínacia frekvencia tranzistorov dosahuje 20 kHz (20 000,00 zmien za sekundu!). Polovodiče sú spínané pomocou riadiacich signálov generovaných v riadiacom systéme meniča. Riadiace signály môžu byť generované podľa rôznych algoritmov a metód. V súčasnosti je najbežnejšou metódou PWM modulácia (pulzne šírková modulácia).
Táto metóda zahŕňa riadiaci obvod, ktorý určuje trvanie periód zapínania a vypínania príslušných párov tranzistorov. Tri vetvy invertorov (dva tranzistory na vetvu) generujú osem možných kombinácií otvorenia/zatvorenia polovodičových ventilov. To vytvára osem rôznych vektorov napätia na výstupoch meniča (pozri obr. 2). Zostávajúce prechodné vektory sa získajú kombináciou (sčítaním) vybraných hlavných vektorov na vhodné časy.
V závislosti od spínacej frekvencie polovodičových ventilov sa na výstupe meniča objaví sínusoida viac alebo menej jemného tvaru. Zvyčajne má používateľ možnosť nastaviť vhodnú nosnú frekvenciu v samotnom zariadení. Nastavením príliš vysokej nosnej frekvencie sa na polovodičoch uvoľní príliš veľa tepla, čo má za následok stratu výkonu meniča (výrobcovia zvyčajne poskytujú tabuľky nosnej frekvencie verzus výkon v používateľských príručkách, ak je hodnota nastavená príliš nízko). , motor môže začať vydávať hluk.
Frekvenčné meniče - skalárne a vektorové riadenie
Každý aktuálne vyrábaný frekvenčný menič má možnosť skalárneho aj vektorového riadenia. Skalárne riadenie, často nazývané U/f (čítaj U až f) riadenie, je najjednoduchší spôsob riadenia motora, ktorý sa od 70. rokov minulého storočia nezmenil.
Skalárny režim je založený na konštantnom pomere napätia a frekvencie. Bez toho, aby sme zachádzali do prílišných detailov a vyššej matematiky, konštantný pomer napätia a frekvencie zaisťuje vytvorenie menovitého magnetického toku v motore. Preto je možné dosiahnuť maximálny krútiaci moment. Skalárne ovládanie má bohužiaľ svoje nevýhody. Pri nízkych frekvenciách je krútiaci moment veľmi nízky a často príliš malý na prevádzku s vysokou zotrvačnosťou. Preto sa skalárne riadenie používa hlavne pre záťaže s premenlivým momentom, ako sú čerpadlá alebo ventilátory. Ak je potrebné pracovať s konštantným zaťažením krútiaceho momentu alebo veľkými zotrvačnosťami, ktoré vyžadujú veľký rozbehový moment, malo by sa zvoliť vektorové riadenie (opísané vyššie ako modulácia PWM s vektorovým riadením napätia).
Vektorové ovládanie je rafinovanejší. Ak chcete použiť túto metódu riadenia, musíte najskôr poskytnúť všetky údaje o menovitých hodnotách motora, ako sú: prúd, napätie, výkon, počet otáčok, počet pólov, sklz, účinník. Potom konvertor vykoná operácie tzv. autotuning motora, t. j. automaticky odhaduje a vypočítava ďalšie údaje motora s rotáciou motora a bez neho (odpor a indukcia vinutia, časová konštanta rotora a mnohé iné).
Pri vektorovom riadení prevodník využíva matematický model motora implementovaný v signálovom procesore. Preto je tak dôležité vždy ukladať všetky údaje motora do prevodníka (čím viac a presnejšie, tým lepšie ovládanie motora) a pravidelne vykonávať auto-tuning (parametre motora sa menia v čase a so zmenami podmienok prostredia).