Przetwornica częstotliwości to technologia, którą należy opanować przy wykonywaniu prac elektrycznych. Stosowanie przetwornicy częstotliwości do sterowania silnikiem jest powszechną metodą sterowania elektrycznego; niektóre wymagają również biegłości w ich użyciu.
1. Po pierwsze, po co używać przetwornicy częstotliwości do sterowania silnikiem?
Silnik jest obciążeniem indukcyjnym, co utrudnia zmianę prądu i powoduje dużą zmianę prądu podczas uruchamiania.
Falownik to urządzenie sterujące energią elektryczną, które wykorzystuje funkcję włączania i wyłączania urządzeń półprzewodnikowych mocy w celu konwersji zasilania o częstotliwości przemysłowej na inną częstotliwość. Składa się głównie z dwóch obwodów, jeden to obwód główny (moduł prostownika, kondensator elektrolityczny i moduł inwertera), a drugi to obwód sterujący (płytka zasilacza impulsowego, płytka obwodu sterującego).
Aby zmniejszyć prąd rozruchowy silnika, szczególnie silnika o większej mocy, im większa moc, tym większy prąd rozruchowy. Nadmierny prąd rozruchowy spowoduje większe obciążenie sieci zasilającej i dystrybucyjnej. Przetwornica częstotliwości może rozwiązać ten problem z rozruchem i umożliwić płynny rozruch silnika bez powodowania nadmiernego prądu rozruchowego.
Inną funkcją stosowania przetwornicy częstotliwości jest regulacja prędkości obrotowej silnika. W wielu przypadkach konieczna jest kontrola prędkości silnika, aby uzyskać lepszą wydajność produkcji, a regulacja prędkości przetwornicy częstotliwości zawsze była jego największą atrakcją. Przetwornica częstotliwości steruje prędkością 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 sinusoidalną modulacją szerokości impulsu (SPWM).
Charakteryzuje się prostą strukturą obwodu sterującego, niskim kosztem, dobrą twardością mechaniczną i może spełniać wymagania dotyczące płynnej regulacji prędkości w ogólnej skrzyni biegów. Jest szeroko stosowany w różnych dziedzinach przemysłu.
Jednakże przy niskich częstotliwościach, ze względu na niskie napięcie wyjściowe, na moment obrotowy znacząco wpływa spadek napięcia na rezystancji stojana, co zmniejsza maksymalny wyjściowy moment obrotowy.
Ponadto jego właściwości mechaniczne nie są tak mocne jak w przypadku silników prądu stałego, a dynamiczna zdolność przenoszenia momentu obrotowego i statyczna regulacja prędkości nie są zadowalające. Ponadto wydajność systemu nie jest wysoka, krzywa sterowania zmienia się wraz z obciążeniem, reakcja momentu obrotowego jest powolna, stopień wykorzystania momentu obrotowego silnika nie jest wysoki, a wydajność spada przy niskiej prędkości z powodu istnienia rezystancji stojana i martwego falownika efekt strefowy i stabilność ulega pogorszeniu. Dlatego ludzie badali sterowanie wektorem, regulację prędkości ze zmienną częstotliwością.
B. Metoda sterowania wektorem przestrzeni napięcia (SVPWM).
Opiera się na ogólnym efekcie generowania trójfazowego przebiegu fali, a jego celem jest osiągnięcie idealnej trajektorii wirującego pola magnetycznego w szczelinie powietrznej silnika, wygenerowanie jednorazowo trójfazowego przebiegu modulacyjnego i kontrolowanie go w sposób wielokąta wpisanego zbliżonego do koła.
Po praktycznym zastosowaniu zostało to poprawione, czyli wprowadziło kompensację częstotliwości w celu wyeliminowania błędu regulacji prędkości; szacowanie amplitudy strumienia poprzez sprzężenie zwrotne w celu wyeliminowania wpływu rezystancji stojana przy małych prędkościach; zamknięcie wyjściowej pętli napięcia i prądu w celu poprawy dynamicznej dokładności i stabilności. Jednakże istnieje wiele połączeń obwodów sterujących i nie wprowadzono regulacji momentu obrotowego, więc wydajność systemu nie uległa zasadniczej poprawie.
C. Metoda sterowania wektorowego (VC).
Istotą jest uczynienie silnika prądu przemiennego równoważnym silnikowi prądu stałego i niezależne sterowanie prędkością i polem magnetycznym. Kontrolując strumień wirnika, prąd stojana jest rozkładany na składowe momentu obrotowego i pola magnetycznego, a transformacja współrzędnych jest wykorzystywana do uzyskania sterowania ortogonalnego lub odsprzężonego. Wprowadzenie metody sterowania wektorowego ma znaczenie epokowe. Jednakże w zastosowaniach praktycznych, ponieważ strumień wirnika jest trudny do dokładnej obserwacji, na charakterystykę systemu duży wpływ mają parametry silnika, a wektorowa transformacja rotacji stosowana w równoważnym procesie sterowania silnikiem prądu stałego jest stosunkowo złożona, co utrudnia rzeczywiste efekt kontrolny w celu osiągnięcia idealnego wyniku analizy.
D. Metoda bezpośredniej kontroli momentu obrotowego (DTC).
W 1985 roku profesor DePenbrock z Uniwersytetu Ruhr w Niemczech po raz pierwszy zaproponował technologię konwersji częstotliwości z bezpośrednim sterowaniem momentem obrotowym. Technologia ta w dużej mierze rozwiązała niedociągnięcia wyżej wymienionego sterowania wektorowego i została szybko rozwinięta dzięki nowatorskim pomysłom sterowania, zwięzłej i przejrzystej strukturze systemu oraz doskonałej wydajności dynamicznej i statycznej.
Obecnie technologia ta została z powodzeniem zastosowana w trakcji przekładniowej prądu przemiennego dużej mocy lokomotyw elektrycznych. Bezpośrednie sterowanie momentem bezpośrednio analizuje model matematyczny silników prądu przemiennego w układzie współrzędnych stojana i steruje strumieniem magnetycznym oraz momentem obrotowym silnika. Nie ma potrzeby utożsamiania silników prądu przemiennego z silnikami prądu stałego, eliminując w ten sposób wiele skomplikowanych obliczeń w transformacji rotacji wektora; nie ma potrzeby imitowania sterowania silnikami prądu stałego ani upraszczania modelu matematycznego silników prądu przemiennego w zakresie odsprzęgania.
E. Metoda sterowania matrycowego AC-AC
Konwersja częstotliwości VVVF, konwersja częstotliwości ze sterowaniem wektorowym i konwersja częstotliwości z bezpośrednim sterowaniem momentem to wszystkie typy konwersji częstotliwości AC-DC-AC. Ich powszechnymi wadami są niski współczynnik mocy wejściowej, duży prąd harmoniczny, duży kondensator magazynujący energię wymagany w obwodzie prądu stałego oraz brak możliwości odtworzenia energii regeneracyjnej do sieci energetycznej, to znaczy nie może ona pracować w czterech kwadrantach.
Z tego powodu powstała macierzowa konwersja częstotliwości AC-AC. Ponieważ matrycowa konwersja częstotliwości AC-AC eliminuje pośrednie łącze DC, eliminuje to duży i kosztowny kondensator elektrolityczny. Może osiągnąć współczynnik mocy 1, sinusoidalny prąd wejściowy i może pracować w czterech ćwiartkach, a system ma dużą gęstość mocy. Chociaż technologia ta nie jest jeszcze dojrzała, nadal przyciąga wielu uczonych do prowadzenia dogłębnych badań. Jego istotą nie jest pośrednie sterowanie prądem, strumieniem magnetycznym i innymi wielkościami, ale bezpośrednie wykorzystanie momentu obrotowego jako wielkości kontrolowanej w celu jego osiągnięcia.
3. W jaki sposób przetwornica częstotliwości steruje silnikiem? Jak te dwa urządzenia są ze sobą połączone?
Okablowanie falownika do sterowania silnikiem jest stosunkowo proste, podobne do okablowania stycznika, z trzema głównymi liniami zasilającymi wchodzącymi i wychodzącymi do silnika, ale ustawienia są bardziej skomplikowane, a sposoby sterowania falownikiem są również różny.
Po pierwsze, jeśli chodzi o zaciski falownika, mimo że istnieje wiele marek i różnych metod okablowania, zaciski okablowania większości falowników nie różnią się zbytnio. Ogólnie podzielone na wejścia przełącznika do przodu i do tyłu, używane do sterowania rozruchem silnika do przodu i do tyłu. Zaciski sprzężenia zwrotnego służą do przekazywania informacji zwrotnej o stanie pracy silnika,włączając częstotliwość roboczą, prędkość, status usterki itp.
Do sterowania ustawieniem prędkości niektóre przetwornice częstotliwości wykorzystują potencjometry, inne bezpośrednio przyciski, a wszystkie są sterowane za pomocą fizycznego okablowania. Innym sposobem jest wykorzystanie sieci komunikacyjnej. Wiele przetwornic częstotliwości obsługuje obecnie sterowanie komunikacją. Linię komunikacyjną można wykorzystać do sterowania uruchamianiem i zatrzymywaniem, obrotami do przodu i do tyłu, regulacją prędkości itp. silnika. Jednocześnie informacje zwrotne są przesyłane również poprzez komunikację.
4.Co dzieje się z wyjściowym momentem obrotowym silnika, gdy zmienia się jego prędkość obrotowa (częstotliwość)?
Moment rozruchowy i moment maksymalny przy zasilaniu z przetwornicy częstotliwości są mniejsze niż przy zasilaniu bezpośrednio z zasilacza.
Silnik ma duży wpływ na rozruch i przyspieszenie, gdy jest zasilany z zasilacza, ale uderzenia te są słabsze, gdy jest zasilany z przetwornicy częstotliwości. Rozruch bezpośredni z zasilacza generuje duży prąd rozruchowy. Gdy używana jest przetwornica częstotliwości, napięcie wyjściowe i częstotliwość przetwornicy częstotliwości są stopniowo dodawane do silnika, dzięki czemu prąd rozruchowy silnika i udar są mniejsze. Zwykle moment obrotowy generowany przez silnik maleje wraz ze spadkiem częstotliwości (spadek prędkości). Rzeczywiste dane redukcji zostaną wyjaśnione w niektórych instrukcjach przetwornic częstotliwości.
Zwykły silnik jest projektowany i produkowany na napięcie 50 Hz, a jego znamionowy moment obrotowy jest również podawany w tym zakresie napięcia. Dlatego regulacja prędkości poniżej częstotliwości znamionowej nazywana jest regulacją prędkości ze stałym momentem obrotowym. (T=Te, P<=Pe)
Gdy częstotliwość wyjściowa przetwornicy częstotliwości jest większa niż 50 Hz, moment obrotowy generowany przez silnik zmniejsza się liniowo odwrotnie proporcjonalnie do częstotliwości.
Gdy silnik pracuje z częstotliwością większą niż 50 Hz, należy wziąć pod uwagę wielkość obciążenia silnika, aby zapobiec niewystarczającemu wyjściowemu momentowi obrotowemu silnika.
Na przykład moment obrotowy generowany przez silnik przy 100 Hz jest redukowany do około 1/2 momentu generowanego przy 50 Hz.
Dlatego regulacja prędkości powyżej częstotliwości znamionowej nazywana jest regulacją prędkości ze stałą mocą. (P=Ue*Ie).
5.Zastosowanie przetwornicy częstotliwości powyżej 50 Hz
Dla konkretnego silnika jego napięcie znamionowe i prąd znamionowy są stałe.
Na przykład, jeśli wartości znamionowe falownika i silnika wynoszą: 15kW/380V/30A, silnik może pracować z częstotliwością powyżej 50 Hz.
Gdy prędkość wynosi 50 Hz, napięcie wyjściowe falownika wynosi 380 V, a prąd wynosi 30 A. W tym momencie, jeśli częstotliwość wyjściowa zostanie zwiększona do 60 Hz, maksymalne napięcie wyjściowe i prąd falownika mogą wynosić tylko 380 V/30 A. Oczywiście moc wyjściowa pozostaje niezmieniona, dlatego nazywamy to regulacją prędkości stałej mocy.
Jaki jest moment obrotowy w tym momencie?
Ponieważ P=wT(w; prędkość kątowa, T: moment obrotowy), ponieważ P pozostaje niezmienione, a w wzrasta, moment obrotowy odpowiednio się zmniejszy.
Możemy też spojrzeć na to z innej strony:
Napięcie stojana silnika wynosi U=E+I*R (I to prąd, R to rezystancja elektroniczna, a E to potencjał indukowany).
Można zauważyć, że kiedy U i I się nie zmieniają, E również się nie zmienia.
Oraz E=k*f*X (k: stała; f: częstotliwość; X: strumień magnetyczny), zatem gdy f zmienia się w zakresie 50–>60 Hz, X odpowiednio się zmniejsza.
Dla silnika T=K*I*X (K: stała; I: prąd; X: strumień magnetyczny), więc moment obrotowy T będzie się zmniejszał wraz ze spadkiem strumienia magnetycznego X.
Jednocześnie, gdy jest mniejsza niż 50 Hz, ponieważ I*R jest bardzo mała, gdy U/f=E/f się nie zmienia, strumień magnetyczny (X) jest stały. Moment obrotowy T jest proporcjonalny do prądu. Z tego powodu do opisania jego wytrzymałości na przeciążenia (momentu obrotowego) zwykle używa się zdolności nadprądowej falownika i nazywa się to regulacją prędkości przy stałym momencie (prąd znamionowy pozostaje niezmieniony –> maksymalny moment obrotowy pozostaje niezmieniony).
Wniosek: Gdy częstotliwość wyjściowa falownika wzrośnie powyżej 50 Hz, wyjściowy moment obrotowy silnika spadnie.
6. Inne czynniki związane z wyjściowym momentem obrotowym
Zdolność wytwarzania i rozpraszania ciepła określa wydajność prądu wyjściowego falownika, wpływając w ten sposób na moc wyjściową momentu obrotowego falownika.
1. Częstotliwość nośna: Prąd znamionowy podany na falowniku to zazwyczaj wartość, która może zapewnić ciągłą moc wyjściową przy najwyższej częstotliwości nośnej i najwyższej temperaturze otoczenia. Zmniejszenie częstotliwości nośnej nie będzie miało wpływu na prąd silnika. Jednakże wytwarzanie ciepła przez komponenty zostanie zmniejszone.
2. Temperatura otoczenia: Podobnie jak wartość prądu zabezpieczającego falownik nie zostanie zwiększona, gdy wykryta zostanie stosunkowo niska temperatura otoczenia.
3. Wysokość: Wzrost wysokości ma wpływ na rozpraszanie ciepła i wydajność izolacji. Ogólnie rzecz biorąc, poniżej 1000 m można go zignorować, a wydajność można zmniejszyć 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 w następujący sposób:
Po pierwsze, falownik steruje napięciem początkowym i częstotliwością silnika, aby zapewnić płynny start i płynne zatrzymanie;
Po drugie, falownik służy do regulacji prędkości silnika, a prędkość silnika jest regulowana poprzez zmianę częstotliwości.
Silnik z magnesami trwałymi Anhui Mingtengaprodukty są sterowane przez falownik. W zakresie obciążenia 25%-120% mają wyższą sprawność i szerszy zakres pracy niż silniki asynchroniczne o tych samych specyfikacjach, a także mają znaczny wpływ na oszczędność energii.
Nasi profesjonalni technicy wybiorą bardziej odpowiedni falownik zgodnie z konkretnymi warunkami pracy i rzeczywistymi potrzebami klientów, aby uzyskać lepszą kontrolę nad silnikiem i zmaksymalizować jego wydajność. Ponadto nasz dział obsługi technicznej może zdalnie pomóc klientom w instalacji i debugowaniu falownika, a także zapewnić wszechstronną kontrolę i serwis przed i po sprzedaży.
Prawa autorskie: ten artykuł jest przedrukiem publicznego numeru WeChat „Szkolenie techniczne”, oryginalny link https://mp.weixin.qq.com/s/eLgSvyLFTtslLF-m6wXMtA
Artykuł ten nie reprezentuje poglądów naszej firmy. Jeśli masz inne zdanie lub poglądy, popraw nas!
Czas publikacji: 09 września 2024 r