Frekventni pretvarači pre 15 godina bili su veoma skupi i retki sistemi za pokretanje, koji su za veci deo društva bili tzv. „crnu kutiju” na koju su morali da se povežu kablovi za napajanje i upravljanje. Trenutno su frekventni pretvarači, koji se često nazivaju invertori, najčešci oblik pokretanja i regulacije brzine rotacije motora. Stalno rastuce potrebe za automatizacijom industrijskih procesa, povecanje stope proizvodnje i njene efikasnosti su glavni faktori koji su uticali na razvoj tržišta invertera u Poljskoj i širom sveta.
Tehnološki skok u poluprovodničkim komponentama i njihova sve manja cena takođe su imali veliku ulogu u tome. Trenutno se frekventni pretvarači mogu naci praktično svuda: u industrijskim postrojenjima, kaficima, postrojenjima za prečišcavanje otpadnih voda, restoranima, robnim kucama i stambenim kucama. Prvi konvertorski sistemi nastali su 1960-ih, ali uprkos tome što je prošlo 50 godina od njihove premijere, osnovni principi rada i opšti blok dijagram ostali su nepromenjeni.
U ovom članku cete pročitati o tome:
- Zašto su frekventni pretvarači stekli toliku popularnost i toliko su potrebni u različitim industrijskim sektorima?
- Kako su u prošlosti izgledali sistemi pokretanja i regulacije asinhronih i asinhronih motora i koje su bile njihove nesavršenosti?
- Kako se reguliše broj obrtaja motora i koja su 4 načina za pokretanje?
- Takođe cete naučiti o tome kako radi pretvarač.
Proverite pretvarače kod Onninen veletrgovca
Regulacija brzine motora
Metode podešavanja brzine:
- promena klizanja izazvana uključivanjem kontrolnog otpornika u kolo rotora motora sa kliznim prstenom. Ova regulacija je imala niz nedostataka: nedostatak regulacije pune brzine, veliki gubici energije, stopa kvarova i veliki broj otpornika i kontaktnih elemenata, velika ograničenja snage i broja pokretanja;
- menjanje broja parova polova motora. Takođe nedostatak potpune regulacije (stepena promena brzine), prisustvo sistema prekidača;
- promena frekvencije napajanja motora (teško za implementaciju).
Četiri metode pokretanja motora
Početne metode sa prednostima i nedostacima:
- Direktan početak. Jedna od najčešcih metoda pokretanja i jedna od najnepoželjnijih, zbog veoma velikog napona struje (obično je startna struja od 4 do 8 puta veca od nazivne) i problema povezanih sa njom (mehaničko naprezanje, vodeni udar na pumpama , trzaji transportera itd.);
- Star/Delta startovanje. Takođe veoma popularan metod pokretanja. Nedostaci uključuju: još uvek visoku startnu struju, mali startni moment, stopu kvara kontaktnih elemenata i duplo više kablovskih uvoda. Prednosti: ograničenje početne struje tokom vremena, niska cena instalacije.
- Počevši od mekog pokretača. Kao što samo ime kaže, meki starteri su uređaji za meko pokretanje i zaustavljanje elektromotora. Nažalost, ne možemo da regulišemo brzinu motora pomocu mekog pokretača. Startna struja, u zavisnosti od načina pokretanja (regulacija napona, kontrola obrtnog momenta u dve ili tri faze) i broja upravljivih faza, je od 2 do 6 puta veca od nazivne struje. Prednosti: nežno nakupljanje struje (bez mehaničkog naprezanja, bez strujnih udara), podesivo vreme pokretanja, veliki startni moment. Nedostaci: nedostatak savršene kontrole kod mekih pokretača sa upravljivim dvema fazama, bez regulacije brzine.
- Počevši od frekventnog pretvarača. Najbolji moguci način pokretanja motora zbog: veoma niske startne struje (uz odgovarajucu konfiguraciju podešavanja, startna struja ne prelazi nazivnu struju), pune regulacije broja obrtaja motora, pune zaštite i nadzora rada motora, reaktivnog kompenzacija snage, ušteda električne energije, smanjenje troškova operativnih mašina, minimiziranje stope kvarova itd.
Pogledajte LS Electric proizvode kod Onninen veletrgovca
Različiti tipovi frekventnih pretvarača
Brojni problemi i poteškoce koje proističu iz osnovnih metoda pokretanja elektromotora uslovile su i prinudile brz i dinamičan razvoj, pre svega, tiristorskih sistema mekog pokretanja (soft startera), a potom i frekventnih pretvarača. Ovi uređaji su najbolji način za regulaciju, zaštitu i kontrolu elektromotora. Tipični, standardni pretvarači frekvencije se koriste za rad asinhronih asinhronih motora.
Međutim, na tržištu se mogu naci pretvarači sa brojnim upravljačkim algoritmima namenjenim sinhronim motorima (PMSM - permanent magnet sinchronous motors), reluktantnim motorima ili BLDC (bez četkica DC motori sa permanentnim magnetima). Velika vecina industrije se i dalje fokusira na indukcione motore zbog njihove niske cene. Kao što možete lako videti, korišcenje frekventnih pretvarača donosi mnoge prednosti. Bez sumnje, ovo je najbolji način pokretanja i regulacije motora. Uzimajuci u obzir kontinuirani trend pada cena pretvarača i linearno povecanje njihovih mogucnosti tokom vremena, potražnja za ovim uređajima ce nastaviti da raste u narednim godinama.
Glavni komponentni blokovi pretvarača
U svakom frekventni pretvarač , možemo razlikovati četiri glavna komponentna bloka (pogledajte sliku 1):
- Ispravljač, odnosno tzv ulazna faza;
- Raspored srednjeg kola;
- Stvarni invertorski element, izlazni stepen;
Pogledajte LS Electric proizvode kod Onninen veletrgovca
Kako radi pretvarač frekvencije?
Glavni zadatak ulaznog stepena pretvarača je da ispravi naizmeničnu struju povučenu iz datog izvora. Ovde treba navesti nekoliko dizajna ispravljača: nekontrolisana dioda sa različitim brojem impulsa (6, 12, 18, 24 i više); poluupravljiv (dioda - tiristor) i potpuno upravljiv, zasnovan na IGBT tranzistorima.
Najčešci su dizajni zasnovani na diodnim ispravljačima. Ovo su, naravno, najjeftinije strukture, ali imaju i najveci uticaj na THD (faktor harmonične distorzije). Diodni ispravljač je nelinearno opterecenje koje ima snažan uticaj na strujno izobličenje. Da biste smanjili THD faktor na odgovarajucu vrednost, koristite jedan od dostupnih THD filtera: ulazne prigušnice, prigušnice u DC linku, pasivne LCL filtere, aktivne THD filtere. Ispravljeni impulsni napon na izlazu ispravljača ima vrednost reda 1,35 efektivne vrednosti međufaznog napona mreže.
Zatim signal ide u međukolo pretvarača, koje obično formira kondenzator ili banku kondenzatora. Međukolo ima dvostruku funkciju: izglađuje pulsni napon primljen od ispravljača i istovremeno skladišti energiju neophodnu za pogon motora. Veoma često proizvođači uključuju i dva važna elementa u međukolo: jednosmernu prigušnicu i kočioni tranzistor (čoper).
- DC prigušnica je jedan od načina da se nosite sa harmonijskim sadržajem. Takođe značajno poboljšava faktor snage.
- Kočni tranzistor je neophodan kada je potrebno da se vrlo brzo zaustavi velika inercija na vratilu motora.
Tokom operacije kočenja, motor prelazi na regenerativni rad. Motor postaje generator koji snabdeva energijom pretvarač. Ova energija se skladišti na kondenzatoru, koji ima konačan kapacitet. Nakon prekoračenja granice napona na kondenzatoru, pretvarač se prekida od motora sa greškom previsokog napona na kondenzatoru. U tom slučaju koristite ugrađeni (ili eksterni) kočioni modul, koji je zauzvrat povezan kočni otpornik . Nakon prekoračenja granice punjenja, tranzistor ce preneti snagu na eksterni kočioni otpornik. Energija ce se gubiti na otporniku u obliku toplote, a pretvarač ce stalno kontrolisati motor.
Iza srednjeg kola pretvarača nalazi se stvarni invertorski element, koji transformiše ispravljeni jednosmerni napon u naizmenični napon sa odgovarajucom amplitudom i frekvencijom. Motor je direktno povezan sa invertorskim elementom. Glavne komponente pretvarača su kontrolisani energetski poluprovodnici. Nekada su to bili tiristori, a kasnije su zbog bržeg vremena prebacivanja zamenjeni IGBT tranzistorima (bipolarni tranzistor sa izolovanim gejtom). Rad poluprovodnika je u dva stanja, pa otuda često i naziv "tranzistorski prekidač".
Frekvencija prebacivanja tranzistora dostiže 20 KHz (20.000,00 promena u sekundi!). Poluprovodnici se prebacuju pomocu kontrolnih signala generisanih u sistemu upravljanja pretvaračem. Kontrolni signali se mogu generisati prema različitim algoritmima i metodama. Trenutno je najčešci metod PVM modulacija (širina impulsa modulacija).
Ova metoda uključuje kontrolno kolo koje određuje trajanje perioda uključivanja i isključivanja odgovarajucih para tranzistora. Tri grane invertera (dva tranzistora po grani) generišu osam mogucih kombinacija otvaranja/zatvaranja poluprovodničkih ventila. Ovo stvara osam različitih vektora napona na izlazima pretvarača (vidi sliku 2). Preostali srednji vektori se dobijaju kombinovanjem (sumiranjem) odabranih glavnih vektora za odgovarajuca vremena.
U zavisnosti od frekvencije uključivanja poluprovodničkih ventila, na izlazu pretvarača pojavljuje se sinusoida manje ili više nežnog oblika. Obično korisnik ima mogucnost da podesi odgovarajucu nosecu frekvenciju u samom uređaju. Postavljanjem nosece frekvencije na previsoku, previše toplote ce se osloboditi na poluprovodnicima, što rezultira gubitkom snage pretvarača (proizvođači obično daju grafikone nosece frekvencije u odnosu na snagu u korisničkim uputstvima). , motor može početi da proizvodi buku.
Pretvarači frekvencije - skalarno i vektorsko upravljanje
Svaki trenutno proizveden frekventni pretvarač ima mogucnost i skalarnog i vektorskog upravljanja. Skalarna kontrola, koja se često naziva U/f (čitaj U do f) kontrola, je najjednostavniji način kontrole motora koji se nije promenio od 1970-ih.
Skalarni režim se zasniva na konstantnom odnosu napona i frekvencije. Ne ulazeci u previše detalja i više matematike, konstantan odnos napona i frekvencije obezbeđuje stvaranje nominalnog magnetnog fluksa u motoru. Zbog toga se može postici maksimalni obrtni moment. Nažalost, skalarno upravljanje ima svoje nedostatke. Na niskim frekvencijama obrtni moment je veoma nizak i često premali za rad sa velikim inercijama. Zbog toga se skalarno upravljanje uglavnom koristi za promenljiva opterecenja obrtnog momenta, kao što su pumpe ili ventilatori. Kada postoji potreba da se radi sa konstantnim opterecenjem obrtnog momenta ili velikim inercijama koje zahtevaju veliki početni obrtni moment, treba izabrati vektorsku kontrolu (opisanu gore kao PVM modulacija sa kontrolom vektora napona).
Vektorska kontrola je prefinjeniji. Često, da biste koristili ovaj metod upravljanja, prvo morate da obezbedite sve podatke o oceni motora, kao što su: struja, napon, snaga, broj obrtaja, broj polova, klizanje, faktor snage. Zatim pretvarač vrši operacije tzv. autopodešavanje motora, tj. procenjuje i izračunava druge podatke motora automatski sa i bez rotacije motora (otpor namotaja i indukcija, vremenska konstanta rotora i mnoge druge).
Sa vektorskom kontrolom, pretvarač koristi matematički model motora implementiran u procesor signala. Zbog toga je toliko važno da se svi podaci o motoru uvek čuvaju u pretvaraču (što je više i preciznije, to je bolja kontrola motora) i da se periodično vrši autopodešavanje (parametri motora se menjaju tokom vremena i sa promenama uslova okoline).