Przetwornica częstotliwości to technologia, którą należy opanować podczas prac elektrycznych. Wykorzystanie przetwornicy częstotliwości do sterowania silnikiem jest powszechną metodą w sterowaniu elektrycznym; niektóre z nich wymagają również biegłości w ich obsłudze.
1. Po pierwsze, dlaczego warto używać przetwornicy częstotliwości do sterowania silnikiem?
Silnik jest obciążeniem indukcyjnym, które utrudnia zmianę prądu i powoduje dużą zmianę prądu podczas rozruchu.
Falownik to urządzenie do sterowania energią elektryczną, które wykorzystuje funkcję włączania i wyłączania półprzewodników mocy do konwersji częstotliwości zasilania przemysłowego na inną częstotliwość. Składa się głównie z dwóch obwodów: jednego głównego (moduł prostownika, kondensator elektrolityczny i moduł falownika), a drugiego sterującego (płytka zasilacza impulsowego, płytka obwodu sterującego).
Aby zmniejszyć prąd rozruchowy silnika, zwłaszcza silnika o większej mocy, należy pamiętać, że im większa moc, tym większy prąd rozruchowy. Zbyt wysoki prąd rozruchowy powoduje większe obciążenie sieci zasilającej i rozdzielczej. Przetwornica częstotliwości może rozwiązać ten problem i umożliwić płynny rozruch silnika bez nadmiernego prądu rozruchowego.
Inną funkcją przetwornicy częstotliwości jest regulacja prędkości obrotowej silnika. W wielu przypadkach konieczna jest kontrola prędkości obrotowej silnika w celu uzyskania lepszej wydajności produkcji, a regulacja prędkości obrotowej za pomocą przetwornicy częstotliwości zawsze była jej największą zaletą. Przetwornica częstotliwości steruje prędkością obrotową silnika poprzez zmianę częstotliwości zasilania.
2. Jakie są metody sterowania falownikiem?
Pięć najczęściej stosowanych metod sterowania silnikami za pomocą falownika to:
A. Metoda sterowania z wykorzystaniem sinusoidalnej modulacji szerokości impulsu (SPWM)
Jego cechy charakterystyczne to prosta struktura obwodu sterowania, niski koszt, dobra wytrzymałość mechaniczna oraz możliwość spełnienia wymagań płynnej regulacji prędkości w przekładniach ogólnego przeznaczenia. Jest on szeroko stosowany w różnych gałęziach przemysłu.
Jednak przy niskich częstotliwościach, ze względu na niskie napięcie wyjściowe, moment obrotowy jest znacząco ograniczony przez spadek napięcia na rezystancji stojana, co zmniejsza maksymalny moment wyjściowy.
Ponadto, jego właściwości mechaniczne nie są tak dobre, jak silników prądu stałego, a jego dynamiczny moment obrotowy i statyczna regulacja prędkości nie są zadowalające. Dodatkowo, wydajność systemu nie jest wysoka, krzywa sterowania zmienia się wraz z obciążeniem, reakcja momentu obrotowego jest powolna, wskaźnik wykorzystania momentu obrotowego silnika nie jest wysoki, a wydajność spada przy niskich prędkościach z powodu występowania rezystancji stojana i efektu martwej strefy falownika, co prowadzi do pogorszenia stabilności. Dlatego też, naukowcy badają regulację prędkości za pomocą sterowania wektorowego o zmiennej częstotliwości.
B. Metoda sterowania wektorem przestrzennym napięcia (SVPWM)
Opiera się ona na ogólnym efekcie generowania fali trójfazowej, a jej celem jest osiągnięcie idealnej, kołowej trajektorii wirującego pola magnetycznego szczeliny powietrznej silnika, generowanie fali modulacyjnej trójfazowej na raz i kontrolowanie jej w sposób przypominający wpisany wielokąt przybliżający okrąg.
Po praktycznym zastosowaniu system został udoskonalony, m.in. poprzez wprowadzenie kompensacji częstotliwości w celu wyeliminowania błędu regulacji prędkości; oszacowanie amplitudy strumienia magnetycznego poprzez sprzężenie zwrotne w celu wyeliminowania wpływu rezystancji stojana przy niskich prędkościach; zamknięcie pętli napięcia i prądu wyjściowego w celu poprawy dokładności dynamicznej i stabilności. Jednakże, ze względu na liczne połączenia obwodów sterowania i brak regulacji momentu obrotowego, wydajność systemu nie uległa zasadniczej poprawie.
C. Metoda sterowania wektorowego (VC)
Istotą jest uczynienie silnika prądu przemiennego równoważnym silnikowi prądu stałego i zapewnienie niezależnej kontroli prędkości i pola magnetycznego. Poprzez sterowanie strumieniem wirnika, prąd stojana jest rozkładany na składowe momentu obrotowego i pola magnetycznego, a transformacja współrzędnych służy do uzyskania sterowania ortogonalnego lub odsprzęgniętego. Wprowadzenie metody sterowania wektorowego ma przełomowe znaczenie. Jednak w zastosowaniach praktycznych, ze względu na trudności z dokładną obserwacją strumienia wirnika, charakterystyki układu są w dużym stopniu uzależnione od parametrów silnika, a transformacja obrotu wektorowego stosowana w równoważnym procesie sterowania silnikiem prądu stałego jest stosunkowo złożona, co utrudnia uzyskanie idealnego wyniku analizy rzeczywistego efektu sterowania.
D. Metoda bezpośredniego sterowania momentem obrotowym (DTC)
W 1985 roku profesor DePenbrock z Uniwersytetu Ruhry w Niemczech po raz pierwszy zaproponował technologię konwersji częstotliwości bezpośredniego sterowania momentem obrotowym. Technologia ta w dużej mierze rozwiązała niedociągnięcia wspomnianego sterowania wektorowego i została szybko rozwinięta dzięki nowatorskim pomysłom sterowania, zwięzłej i przejrzystej strukturze systemu oraz doskonałym parametrom dynamicznym i statycznym.
Obecnie technologia ta została z powodzeniem zastosowana w trakcji prądu przemiennego dużej mocy lokomotyw elektrycznych. Bezpośrednie sterowanie momentem obrotowym analizuje bezpośrednio model matematyczny silników prądu przemiennego w układzie współrzędnych stojana i steruje strumieniem magnetycznym i momentem obrotowym silnika. Nie wymaga ono utożsamiania silników prądu przemiennego z silnikami prądu stałego, co eliminuje wiele skomplikowanych obliczeń w transformacji wektorowej; nie wymaga imitowania sterowania silnikami prądu stałego ani upraszczania modelu matematycznego silników prądu przemiennego w celu ich odsprzęgnięcia.
E. Metoda sterowania macierzowego AC-AC
Konwersja częstotliwości VVVF, konwersja częstotliwości ze sterowaniem wektorowym i konwersja częstotliwości ze sterowaniem bezpośrednim momentem obrotowym to rodzaje konwersji częstotliwości AC-DC-AC. Ich wspólnymi wadami są niski współczynnik mocy wejściowej, wysoki prąd harmoniczny, duży kondensator magazynujący energię wymagany w obwodzie prądu stałego oraz brak możliwości zwrotu energii z powrotem do sieci elektroenergetycznej, czyli praca w czterech kwadrantach.
Z tego powodu powstała matrycowa konwersja częstotliwości AC-AC. Ponieważ matrycowa konwersja częstotliwości AC-AC eliminuje pośrednie połączenie DC, eliminuje również duży i kosztowny kondensator elektrolityczny. Pozwala ona osiągnąć współczynnik mocy równy 1, sinusoidalny prąd wejściowy i może pracować w czterech kwadrantach, a system charakteryzuje się wysoką gęstością mocy. Chociaż technologia ta nie jest jeszcze dojrzała, wciąż przyciąga wielu naukowców do prowadzenia dogłębnych badań. Jej istotą nie jest pośrednie sterowanie prądem, strumieniem magnetycznym i innymi wielkościami, lecz bezpośrednie wykorzystanie momentu obrotowego jako wielkości kontrolowanej, aby to osiągnąć.
3. W jaki sposób przetwornica częstotliwości steruje silnikiem? Jak są one ze sobą połączone?
Podłączenie falownika do sterowania silnikiem jest stosunkowo proste, podobnie jak podłączenie stycznika, z trzema głównymi liniami zasilającymi wchodzącymi i wychodzącymi z silnika, ale ustawienia są bardziej skomplikowane, a sposoby sterowania falownikiem również są różne.
Przede wszystkim, jeśli chodzi o zaciski falownika, pomimo istnienia wielu marek i różnych metod okablowania, zaciski większości falowników nie różnią się znacząco. Zasadniczo dzielą się na wejścia przełączników do przodu i do tyłu, służące do sterowania rozruchem silnika do przodu i do tyłu. Zaciski sprzężenia zwrotnego służą do sprzężenia zwrotnego stanu pracy silnika.w tym częstotliwość pracy, prędkość, stan błędu itp.
Do sterowania prędkością niektóre przetwornice częstotliwości wykorzystują potencjometry, inne bezpośrednio przyciski – wszystkie te elementy są sterowane za pomocą okablowania. Innym sposobem jest wykorzystanie sieci komunikacyjnej. Wiele przetwornic częstotliwości obsługuje obecnie sterowanie za pomocą komunikacji. Linia komunikacyjna może być używana do sterowania uruchamianiem i zatrzymywaniem silnika, obrotami w przód i w tył, regulacją prędkości itp. Jednocześnie, za pośrednictwem komunikacji przesyłane są również informacje zwrotne.
4. Co dzieje się z momentem obrotowym silnika, gdy zmienia się jego prędkość obrotowa (częstotliwość)?
Moment początkowy i maksymalny przy zasilaniu za pomocą przetwornicy częstotliwości są mniejsze niż przy zasilaniu bezpośrednio z zasilacza.
Silnik ma duży wpływ na rozruch i przyspieszenie, gdy jest zasilany z zasilacza, ale wpływ ten jest słabszy, gdy jest zasilany przez przetwornicę częstotliwości. Bezpośredni rozruch z zasilacza generuje duży prąd rozruchowy. W przypadku zastosowania przetwornicy częstotliwości, napięcie wyjściowe i częstotliwość przetwornicy są stopniowo dodawane do silnika, dzięki czemu prąd rozruchowy i wpływ silnika są mniejsze. Zazwyczaj moment obrotowy generowany przez silnik maleje wraz ze spadkiem częstotliwości (spadkiem prędkości). Rzeczywiste dane dotyczące redukcji zostaną wyjaśnione w instrukcjach obsługi niektórych przetwornic częstotliwości.
Standardowy silnik jest projektowany i produkowany dla napięcia 50 Hz, a jego moment znamionowy również mieści się w tym zakresie napięcia. Dlatego regulacja prędkości poniżej częstotliwości znamionowej nazywana jest regulacją prędkości o stałym momencie obrotowym. (T = Te, P < = Pe)
Gdy częstotliwość wyjściowa przetwornicy częstotliwości jest większa niż 50 Hz, moment obrotowy generowany przez silnik maleje liniowo, odwrotnie proporcjonalnie do częstotliwości.
Jeżeli silnik pracuje z częstotliwością większą niż 50 Hz, należy wziąć pod uwagę wielkość obciążenia silnika, aby zapobiec niewystarczającemu momentowi wyjściowemu silnika.
Na przykład moment obrotowy generowany przez silnik przy częstotliwości 100 Hz zmniejsza się do około połowy momentu obrotowego generowanego przy częstotliwości 50 Hz.
Dlatego regulację prędkości powyżej częstotliwości znamionowej nazywa się regulacją prędkości przy stałej mocy. (P=Ue*Ie).
5. Zastosowanie przetwornicy częstotliwości powyżej 50 Hz
W przypadku konkretnego silnika jego napięcie znamionowe i prąd znamionowy są stałe.
Na przykład, jeśli wartości znamionowe falownika i silnika wynoszą: 15 kW/380 V/30 A, silnik może pracować z częstotliwością powyżej 50 Hz.
Przy częstotliwości 50 Hz napięcie wyjściowe falownika wynosi 380 V, a prąd 30 A. W tym przypadku, po zwiększeniu częstotliwości wyjściowej do 60 Hz, maksymalne napięcie i prąd wyjściowy falownika mogą wynosić jedynie 380 V/30 A. Oczywiście moc wyjściowa pozostaje niezmieniona, dlatego nazywamy to regulacją prędkości stałą mocą.
Jaki jest moment obrotowy w tym momencie?
Ponieważ P=wT(w; prędkość kątowa, T: moment obrotowy), a więc P pozostaje niezmienne, a w rośnie, moment obrotowy odpowiednio się zmniejszy.
Możemy spojrzeć na to również z innej strony:
Napięcie stojana silnika wynosi U=E+I*R (I to prąd, R to opór elektroniczny, a E to potencjał indukowany).
Można zauważyć, że gdy U i I się nie zmieniają, E także się nie zmienia.
A E=k*f*X (k: stała; f: częstotliwość; X: strumień magnetyczny), więc gdy f zmienia się z 50–>60Hz, X odpowiednio się zmniejszy.
W przypadku silnika T=K*I*X (K: stała; I: natężenie prądu; X: strumień magnetyczny), więc moment obrotowy T będzie malał w miarę zmniejszania się strumienia magnetycznego X.
Jednocześnie, gdy częstotliwość jest mniejsza niż 50 Hz, ponieważ I*R jest bardzo małe, a U/f=E/f nie zmienia się, strumień magnetyczny (X) jest stały. Moment obrotowy T jest proporcjonalny do prądu. Dlatego do opisu przeciążalności (momentu obrotowego) falownika zazwyczaj używa się zdolności nadprądowej, nazywanej regulacją prędkości obrotowej o stałym momencie obrotowym (prąd znamionowy pozostaje niezmieniony -> maksymalny moment obrotowy pozostaje niezmieniony).
Wniosek: Gdy częstotliwość wyjściowa falownika wzrośnie powyżej 50 Hz, moment wyjściowy silnika ulegnie zmniejszeniu.
6. Inne czynniki związane z momentem wyjściowym
Generowanie i odprowadzanie ciepła określają wydajność prądową falownika, co ma wpływ na wydajność momentu obrotowego falownika.
1. Częstotliwość nośna: Prąd znamionowy oznaczony na falowniku to zazwyczaj wartość zapewniająca ciągłą moc wyjściową przy najwyższej częstotliwości nośnej i najwyższej temperaturze otoczenia. Zmniejszenie częstotliwości nośnej nie wpłynie na prąd silnika. Zmniejszy się jednak generowanie ciepła przez podzespoły.
2. Temperatura otoczenia: Podobnie jak w przypadku zabezpieczenia falownika, wartość prądu nie zostanie zwiększona, gdy wykryta zostanie stosunkowo niska temperatura otoczenia.
3. Wysokość: Wzrost wysokości ma wpływ na odprowadzanie ciepła i wydajność izolacji. Zasadniczo można go pominąć poniżej 1000 m, a wydajność może spadać o 5% na każde 1000 metrów powyżej.
7.Jaka jest odpowiednia częstotliwość dla przetwornicy częstotliwości do sterowania silnikiem?
W powyższym podsumowaniu dowiedzieliśmy się, dlaczego falownik służy do sterowania silnikiem, a także zrozumieliśmy, w jaki sposób falownik steruje silnikiem. Falownik steruje silnikiem, co można podsumować następująco:
Najpierw falownik steruje napięciem początkowym i częstotliwością silnika, aby uzyskać płynny rozruch i zatrzymanie;
Po drugie, falownik służy do regulacji prędkości silnika. Prędkość silnika jest regulowana poprzez zmianę częstotliwości.
Silnik z magnesami trwałymi firmy Anhui MingtengProdukty są sterowane przez falownik. W zakresie obciążenia 25–120% charakteryzują się wyższą sprawnością i szerszym zakresem pracy niż silniki asynchroniczne o tych samych parametrach, a także zapewniają znaczną oszczędność energii.
Nasi profesjonalni technicy dobiorą najbardziej odpowiedni falownik, biorąc pod uwagę specyficzne warunki pracy i rzeczywiste potrzeby klientów, aby zapewnić lepszą kontrolę nad silnikiem i zmaksymalizować jego wydajność. Ponadto, nasz dział serwisu technicznego może zdalnie pomóc klientom w instalacji i debugowaniu falownika, a także zapewnić kompleksową obsługę przed i posprzedażową.
Prawa autorskie: Niniejszy artykuł jest przedrukiem publicznego numeru WeChat „Szkolenie techniczne”, oryginalny link https://mp.weixin.qq.com/s/eLgSvyLFTtslLF-m6wXMtA
Niniejszy artykuł nie odzwierciedla poglądów naszej firmy. Jeśli masz inne zdanie lub poglądy, prosimy o ich skorygowanie!
Czas publikacji: 09.09.2024