Przetwornica częstotliwości to technologia, którą należy opanować podczas wykonywania prac elektrycznych. Używanie przetwornicy częstotliwości do sterowania silnikiem jest powszechną metodą w sterowaniu elektrycznym; niektóre 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 półprzewodnikowych urządzeń mocy, aby przekształcić zasilanie o częstotliwości przemysłowej na inną częstotliwość. Składa się głównie z dwóch obwodów, jeden jest obwodem głównym (moduł prostownika, kondensator elektrolityczny i moduł falownika), a drugi jest obwodem sterującym (płytka zasilacza impulsowego, płytka obwodu sterującego).
Aby zmniejszyć prąd rozruchowy silnika, zwłaszcza 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 rozruchowy i umożliwić płynny rozruch silnika bez powodowania nadmiernego prądu rozruchowego.
Inną funkcją stosowania przetwornicy częstotliwości jest regulacja prędkości silnika. W wielu przypadkach konieczne jest kontrolowanie prędkości silnika w celu uzyskania lepszej wydajności produkcji, a regulacja prędkości przetwornicy częstotliwości zawsze była jej największą zaletą. Przetwornica częstotliwości kontroluje prędkość 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 to prosta struktura obwodu sterowania, niski koszt, dobra twardość mechaniczna i może spełniać wymagania płynnej regulacji prędkości ogólnej transmisji. Jest szeroko stosowany w różnych dziedzinach 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 silne jak w przypadku silników prądu stałego, a jego dynamiczna pojemność momentu obrotowego i wydajność statycznej regulacji prędkości nie są zadowalające. Ponadto wydajność systemu nie jest wysoka, krzywa sterowania zmienia się wraz z obciążeniem, reakcja momentu obrotowego jest powolna, współczynnik wykorzystania momentu obrotowego silnika nie jest wysoki, a wydajność spada przy niskiej prędkości z powodu istnienia rezystancji stojana i efektu martwej strefy falownika, a stabilność pogarsza się. Dlatego ludzie badali regulację prędkości o zmiennej częstotliwości sterowania wektorowego.
B. Metoda sterowania wektorem przestrzeni napięciowej (SVPWM)
Opiera się ona na ogólnym efekcie generowania przebiegu trójfazowego, a jej celem jest osiągnięcie idealnej kołowej trajektorii wirującego pola magnetycznego szczeliny powietrznej silnika, generowanie trójfazowego przebiegu modulacyjnego na raz i kontrolowanie go w sposób wielokąta wpisanego aproksymującego okrąg.
Po praktycznym użyciu został on ulepszony, tj. wprowadzono kompensację częstotliwości w celu wyeliminowania błędu sterowania prędkością; oszacowano amplitudę strumienia poprzez sprzężenie zwrotne w celu wyeliminowania wpływu rezystancji stojana przy niskiej prędkości; zamknięto pętlę napięcia wyjściowego i prądu w celu poprawy dokładności dynamicznej i stabilności. Istnieje jednak wiele połączeń obwodów sterujących i nie wprowadzono żadnej regulacji momentu obrotowego, więc wydajność systemu nie została zasadniczo poprawiona.
C. Metoda sterowania wektorowego (VC)
Istotą jest uczynienie silnika prądu przemiennego równoważnym silnikowi prądu stałego i niezależne sterowanie prędkością i polem magnetycznym. Poprzez sterowanie strumieniem wirnika, prąd stojana jest rozkładany w celu uzyskania składowych momentu obrotowego i pola magnetycznego, a transformacja współrzędnych jest wykorzystywana do uzyskania sterowania ortogonalnego lub odsprzęgniętego. Wprowadzenie metody sterowania wektorowego ma epokowe znaczenie. Jednak w zastosowaniach praktycznych, ponieważ strumień wirnika jest trudny do dokładnego zaobserwowania, charakterystyki systemu są w dużym stopniu zależne od parametrów silnika, a transformacja obrotu wektorowego stosowana w równoważnym procesie sterowania silnikiem prądu stałego jest stosunkowo złożona, co utrudnia rzeczywistemu efektowi sterowania osiągnięcie idealnego wyniku analizy.
D. Metoda bezpośredniego sterowania momentem obrotowym (DTC)
W 1985 roku profesor DePenbrock z Ruhr University w Niemczech po raz pierwszy zaproponował technologię konwersji częstotliwości bezpośredniego sterowania momentem obrotowym. Technologia ta w dużej mierze rozwiązała niedociągnięcia wyżej wymienionego sterowania wektorowego i została szybko rozwinięta dzięki nowym pomysłom na sterowanie, zwięzłej i przejrzystej strukturze systemu oraz doskonałej dynamice i wydajności statycznej.
Obecnie technologia ta została pomyślnie zastosowana w trakcji AC dużej mocy lokomotyw elektrycznych. Bezpośrednie sterowanie momentem obrotowym bezpośrednio analizuje model matematyczny silników AC w układzie współrzędnych stojana i steruje strumieniem magnetycznym i momentem obrotowym silnika. Nie wymaga ona utożsamiania silników AC z silnikami DC, eliminując w ten sposób wiele złożonych obliczeń w transformacji obrotu wektorowego; nie wymaga ona imitowania sterowania silnikami DC ani upraszczania modelu matematycznego silników AC w celu odsprzęgania.
E. Metoda sterowania macierzowego AC-AC
Konwersja częstotliwości VVVF, konwersja częstotliwości sterowania wektorowego i konwersja częstotliwości sterowania bezpośredniego momentu obrotowego to wszystkie typy konwersji częstotliwości AC-DC-AC. Ich wspólnymi wadami są niski współczynnik mocy wejściowej, duży prąd harmoniczny, duży kondensator magazynujący energię wymagany dla obwodu DC oraz energia regeneracyjna, której nie można przekazać z powrotem do sieci energetycznej, tzn. nie może działać w czterech kwadrantach.
Z tego powodu powstała matrycowa konwersja częstotliwości AC-AC. Ponieważ matrycowa konwersja częstotliwości AC-AC eliminuje pośrednie łącze DC, eliminuje duży i drogi kondensator elektrolityczny. Może osiągnąć współczynnik mocy 1, sinusoidalny prąd wejściowy i może działać w czterech kwadrantach, a system ma wysoką gęstość mocy. Chociaż ta technologia nie jest jeszcze dojrzała, nadal przyciąga wielu naukowców do prowadzenia dogłębnych badań. Jej istotą nie jest pośrednie sterowanie prądem, strumieniem magnetycznym i innymi wielkościami, ale bezpośrednie wykorzystanie momentu obrotowego jako kontrolowanej wielkości w celu jej osiągnięcia.
3. Jak 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 zacisk falownika, chociaż istnieje wiele marek i różnych metod okablowania, zaciski okablowania większości falowników nie różnią się zbytnio. Zasadniczo podzielone na wejścia przełącznika do przodu i do tyłu, używane do sterowania do przodu i do tyłu rozruchu silnika. Zaciski sprzężenia zwrotnego służą do sprzężenia zwrotnego stanu pracy silnika,w tym częstotliwość pracy, prędkość, stan błędu itp.
Do sterowania ustawieniami prędkości niektóre przetwornice częstotliwości używają potencjometrów, inne używają przycisków bezpośrednio, a wszystkie są sterowane za pomocą okablowania fizycznego. Innym sposobem jest użycie sieci komunikacyjnej. Wiele przetwornic częstotliwości obsługuje teraz sterowanie komunikacyjne. Linia komunikacyjna może być używana do sterowania uruchamianiem i zatrzymywaniem, obrotami do przodu i do tyłu, regulacją prędkości itp. silnika. Jednocześnie informacje zwrotne są również przesyłane za pomocą komunikacji.
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 w przypadku bezpośredniego zasilania.
Silnik ma duży wpływ rozruchu i przyspieszania, gdy jest zasilany przez zasilacz, ale te wpływy są słabsze, gdy jest zasilany przez przetwornicę częstotliwości. Bezpośredni rozruch z zasilacza wygeneruje duży prąd rozruchowy. Gdy używany jest przetwornica częstotliwości, napięcie wyjściowe i częstotliwość przetwornicy częstotliwości są stopniowo dodawane do silnika, więc prąd rozruchowy silnika i wpływ są mniejsze. Zazwyczaj moment obrotowy generowany przez silnik maleje wraz ze spadkiem częstotliwości (zmniejszeniem prędkości). Rzeczywiste dane dotyczące redukcji zostaną wyjaśnione w niektórych instrukcjach przetwornicy częstotliwości.
Zwykły silnik jest projektowany i produkowany dla napięcia 50 Hz, a jego moment znamionowy jest również podawany 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 zmniejsza się liniowo, odwrotnie proporcjonalnie do częstotliwości.
Jeżeli silnik pracuje z częstotliwością większą niż 50 Hz, należy uwzględnić 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 50Hz
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 przy częstotliwości powyżej 50 Hz.
Gdy prędkość wynosi 50 Hz, napięcie wyjściowe falownika wynosi 380 V, a natężenie prądu 30 A. W tym momencie, jeśli częstotliwość wyjściowa zostanie zwiększona do 60 Hz, maksymalne napięcie wyjściowe i natężenie prądu falownika mogą wynosić tylko 380 V/30 A. Oczywiście moc wyjściowa pozostaje niezmienna, więc nazywamy to stałą regulacją prędkości mocy.
Jaki jest moment obrotowy w tym momencie?
Ponieważ P=wT(w; prędkość kątowa, T: moment obrotowy), a P pozostaje niezmienne, a w rośnie, moment obrotowy odpowiednio się zmniejszy.
Możemy również 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 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–>60 Hz, X odpowiednio się zmniejsza.
W przypadku silnika T=K*I*X (K: stała; I: natężenie; X: strumień magnetyczny), więc moment obrotowy T będzie malał w miarę zmniejszania się strumienia magnetycznego X.
Jednocześnie, gdy jest mniejsza niż 50 Hz, ponieważ I*R jest bardzo małe, gdy U/f=E/f nie zmienia się, strumień magnetyczny (X) jest stały. Moment obrotowy T jest proporcjonalny do prądu. Dlatego pojemność nadprądowa falownika jest zwykle używana do opisu jego pojemności przeciążeniowej (momentu obrotowego) i jest nazywana regulacją prędkości stałego momentu obrotowego (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, która może zapewnić ciągłą moc wyjściową przy najwyższej częstotliwości nośnej i najwyższej temperaturze otoczenia. Zmniejszenie częstotliwości nośnej nie wpłynie na prąd silnika. Jednak generowanie ciepła przez komponenty zostanie zmniejszone.
2. Temperatura otoczenia: Podobnie jak w przypadku zabezpieczenia falownika, wartość prądu nie zostanie zwiększona, gdy wykryje się, że temperatura otoczenia jest stosunkowo niska.
3. Wysokość: Wzrost wysokości ma wpływ na rozpraszanie ciepła i wydajność izolacji. Zasadniczo można to zignorować poniżej 1000 m, a pojemność może zostać zmniejszona 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 jest używany do sterowania silnikiem, a także zrozumieliśmy, w jaki sposób falownik steruje silnikiem. Falownik steruje silnikiem, co można podsumować następująco:
Po pierwsze, falownik kontroluje napięcie początkowe i częstotliwość silnika w celu uzyskania płynnego rozruchu i zatrzymania;
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% mają wyższą wydajność i szerszy zakres działania niż silniki asynchroniczne o tych samych specyfikacjach i mają znaczące efekty oszczędzania energii.
Nasi profesjonalni technicy wybiorą bardziej odpowiedni falownik zgodnie ze specyficznymi warunkami pracy i rzeczywistymi potrzebami klientów, aby uzyskać lepszą kontrolę nad silnikiem i zmaksymalizować jego wydajność. Ponadto nasz dział obsługi technicznej może zdalnie poprowadzić klientów przez instalację i debugowanie falownika oraz zrealizować kompleksową obsługę i serwis przed i po sprzedaży.
Prawa autorskie: Niniejszy artykuł jest przedrukiem publicznego numeru WeChat „Szkolenie techniczne”, oryginalny link https://mp.weixin.qq.com/s/eLgSvyLFTtslLF-m6wXMtA
Niniejszy artykuł nie reprezentuje poglądów naszej firmy. Jeśli masz inne zdanie lub poglądy, popraw nas!
Czas publikacji: 09-09-2024