Преобразователь частоты — это технология, которую необходимо освоить при выполнении электротехнических работ. Использование преобразователя частоты для управления двигателем — распространённый метод в электроуправлении; некоторые методы требуют профессионального владения им.
1.Прежде всего, зачем использовать преобразователь частоты для управления двигателем?
Двигатель представляет собой индуктивную нагрузку, что затрудняет изменение тока и приводит к большому изменению тока при запуске.
Инвертор – это устройство управления электроэнергией, использующее функцию включения-выключения силовых полупроводниковых приборов для преобразования промышленной частоты в другую частоту. Он состоит из двух цепей: основной (выпрямительный модуль, электролитический конденсатор и инверторный модуль) и управляющей (плата импульсного источника питания, плата управления).
Чтобы уменьшить пусковой ток двигателя, особенно двигателя большой мощности, чем больше мощность, тем больше пусковой ток. Чрезмерный пусковой ток создаёт большую нагрузку на электросеть и распределительную сеть. Преобразователь частоты может решить эту проблему запуска и обеспечить плавный запуск двигателя без чрезмерного пускового тока.
Ещё одной функцией преобразователя частоты является регулировка скорости двигателя. Во многих случаях для повышения эффективности производства необходимо контролировать скорость двигателя, и регулирование скорости с помощью преобразователя частоты всегда было его главным преимуществом. Преобразователь частоты управляет скоростью двигателя, изменяя частоту источника питания.
2.Каковы методы управления инвертором?
Ниже перечислены пять наиболее часто используемых методов управления двигателями с инвертором:
А. Метод управления с использованием синусоидальной широтно-импульсной модуляции (ШИМ)
Его характеристиками являются простая структура цепи управления, низкая стоимость, высокая механическая прочность и способность соответствовать требованиям к плавному регулированию скорости, предъявляемым к трансмиссии общего назначения. Он широко применяется в различных отраслях промышленности.
Однако на низких частотах из-за низкого выходного напряжения на крутящий момент существенно влияет падение напряжения на сопротивлении статора, что снижает максимальный выходной крутящий момент.
Кроме того, его механические характеристики уступают характеристикам двигателей постоянного тока, а динамический крутящий момент и статическое регулирование скорости неудовлетворительны. Кроме того, производительность системы невысокая, кривая управления изменяется в зависимости от нагрузки, реакция на крутящий момент медленная, коэффициент использования крутящего момента двигателя невысокий, а производительность снижается на низких скоростях из-за наличия сопротивления статора и эффекта зоны нечувствительности преобразователя, что приводит к ухудшению стабильности. Поэтому были изучены методы векторного управления частотно-регулируемой скоростью.
B. Метод управления вектором пространства напряжения (SVPWM)
Он основан на общем эффекте генерации трехфазной формы волны с целью приближения к идеальной круговой траектории вращающегося магнитного поля воздушного зазора двигателя, генерируя одновременно трехфазную форму модуляции волны и управляя ею в виде вписанного многоугольника, приближающего к окружности.
После практического использования система была усовершенствована, в частности, введена частотная компенсация для устранения погрешности регулирования скорости; реализована оценка амплитуды потока посредством обратной связи для устранения влияния сопротивления статора на низкой скорости; замыкание выходного напряжения и контура тока для повышения динамической точности и устойчивости. Однако из-за большого количества звеньев цепи управления и отсутствия регулировки крутящего момента производительность системы существенно не улучшилась.
C. Метод векторного управления (ВУ)
Суть заключается в том, чтобы сделать двигатель переменного тока эквивалентным двигателю постоянного тока и независимо управлять скоростью и магнитным полем. Управляя потоком ротора, ток статора разлагается на составляющие крутящего момента и магнитного поля, а преобразование координат используется для достижения ортогонального или развязанного управления. Внедрение метода векторного управления имеет эпохальное значение. Однако на практике, поскольку поток ротора трудно точно наблюдать, характеристики системы сильно зависят от параметров двигателя, а преобразование вращения вектора, используемое в процессе управления эквивалентным двигателем постоянного тока, относительно сложно, что затрудняет достижение идеального результата анализа при фактическом управлении.
D. Метод прямого управления крутящим моментом (DTC)
В 1985 году профессор ДеПенброк из Рурского университета (Германия) впервые предложил технологию прямого управления крутящим моментом посредством преобразования частоты. Эта технология в значительной степени устранила недостатки вышеупомянутого векторного управления и получила быстрое развитие благодаря новым идеям управления, лаконичной и понятной структуре системы, а также превосходным динамическим и статическим характеристикам.
В настоящее время эта технология успешно применяется в тяговых системах переменного тока большой мощности электровозов. Прямое управление моментом напрямую анализирует математическую модель двигателей переменного тока в системе координат статора и управляет магнитным потоком и крутящим моментом двигателя. При этом не требуется приравнивать двигатели переменного тока к двигателям постоянного тока, что исключает необходимость в сложных вычислениях при преобразовании векторного вращения; не требуется имитировать управление двигателями постоянного тока и упрощать математическую модель двигателей переменного тока для обеспечения развязки.
E. Матричный метод управления переменным током
Преобразование частоты с переменным напряжением и частотой с векторным управлением, а также преобразование частоты с прямым управлением крутящим моментом – все эти типы преобразователей частоты относятся к типу AC-DC-AC. Их общими недостатками являются низкий входной коэффициент мощности, большой ток гармоник, большой расход энергии на накопительный конденсатор для цепи постоянного тока и невозможность возврата рекуперативной энергии в электросеть, то есть невозможность работы в четырёх квадрантах.
Именно поэтому появилось матричное преобразование переменного тока в переменный. Поскольку матричное преобразование переменного тока в переменный устраняет необходимость в промежуточном звене постоянного тока, оно устраняет необходимость в громоздком и дорогостоящем электролитическом конденсаторе. Оно позволяет достичь коэффициента мощности, равного 1, синусоидального входного тока и работать в четырёх квадрантах, а система обладает высокой удельной мощностью. Хотя эта технология ещё не достигла зрелости, она по-прежнему привлекает многих учёных к проведению глубоких исследований. Суть её заключается не в косвенном управлении током, магнитным потоком и другими величинами, а в прямом использовании крутящего момента в качестве управляемой величины для достижения этой цели.
3. Как преобразователь частоты управляет двигателем? Как они соединены между собой?
Схема подключения инвертора для управления двигателем относительно проста и похожа на схему подключения контактора: три основные линии питания входят и выходят из двигателя, но настройки сложнее, а способы управления инвертором также отличаются.
Прежде всего, что касается клемм инвертора, то, несмотря на разнообразие марок и способов подключения, клеммы большинства инверторов практически не отличаются. Обычно они делятся на входы прямого и обратного хода, используемые для управления прямым и обратным пуском двигателя. Клеммы обратной связи используются для передачи информации о рабочем состоянии двигателя.включая рабочую частоту, скорость, состояние неисправности и т. д.
Для управления скоростью некоторые преобразователи частоты используют потенциометры, некоторые — непосредственно кнопки, и все они управляются через физические провода. Другой способ — использование сети связи. Многие преобразователи частоты теперь поддерживают управление через сеть связи. Линия связи может использоваться для управления пуском и остановкой, вращением вперёд и назад, регулировкой скорости и т.д. двигателя. При этом обратная связь также передаётся через сеть связи.
4. Что происходит с выходным крутящим моментом двигателя при изменении его скорости вращения (частоты)?
Пусковой крутящий момент и максимальный крутящий момент при приводе от преобразователя частоты меньше, чем при приводе напрямую от источника питания.
При питании от источника питания двигатель испытывает сильное пусковое и разгонное воздействие, но при питании от преобразователя частоты это воздействие слабее. Прямой пуск от источника питания создаёт большой пусковой ток. При использовании преобразователя частоты выходное напряжение и частота преобразователя постепенно добавляются к току двигателя, поэтому пусковой ток и пусковой импульс двигателя уменьшаются. Обычно крутящий момент, создаваемый двигателем, уменьшается с уменьшением частоты (снижением скорости). Фактические данные об уменьшении пускового тока приводятся в руководствах по некоторым преобразователям частоты.
Обычный двигатель проектируется и изготавливается для напряжения 50 Гц, и его номинальный крутящий момент также указан в этом диапазоне. Поэтому регулирование скорости ниже номинальной частоты называется регулированием скорости с постоянным крутящим моментом. (T=Te, P<=Pe)
Когда выходная частота преобразователя частоты превышает 50 Гц, крутящий момент, создаваемый двигателем, уменьшается в линейной зависимости, обратно пропорциональной частоте.
Если двигатель работает на частоте более 50 Гц, необходимо учитывать величину нагрузки двигателя, чтобы предотвратить недостаточный выходной крутящий момент двигателя.
Например, крутящий момент, создаваемый двигателем при частоте 100 Гц, уменьшается примерно до 1/2 крутящего момента, создаваемого при частоте 50 Гц.
Поэтому регулирование скорости выше номинальной частоты называется регулированием скорости с постоянной мощностью. (P=Ue*Ie).
5.Применение преобразователя частоты выше 50 Гц
Для конкретного двигателя его номинальное напряжение и номинальный ток являются постоянными.
Например, если номинальные значения инвертора и двигателя составляют: 15 кВт/380 В/30 А, двигатель может работать на частоте выше 50 Гц.
При частоте вращения 50 Гц выходное напряжение инвертора составляет 380 В, а ток — 30 А. При увеличении выходной частоты до 60 Гц максимальные выходное напряжение и ток инвертора могут составить только 380 В/30 А. Очевидно, что выходная мощность остаётся неизменной, поэтому мы называем это регулированием скорости с постоянной мощностью.
Каков крутящий момент на данный момент?
Поскольку P=wT(w; угловая скорость, T: крутящий момент), то поскольку P остается неизменным, а w увеличивается, крутящий момент соответственно уменьшится.
Мы также можем взглянуть на это под другим углом:
Напряжение статора двигателя равно U=E+I*R (I — ток, R — электронное сопротивление, а E — индуцированный потенциал).
Видно, что когда U и I не меняются, E также не меняется.
И E=k*f*X (k: константа; f: частота; X: магнитный поток), поэтому при изменении f от 50 до>60 Гц X соответственно уменьшится.
Для двигателя T=K*I*X (K: константа; I: ток; X: магнитный поток), поэтому крутящий момент T будет уменьшаться по мере уменьшения магнитного потока X.
В то же время, при частоте менее 50 Гц, поскольку I*R очень мало, и U/f = E/f не изменяется, магнитный поток (X) остаётся постоянным. Крутящий момент T пропорционален току. Поэтому для характеристики перегрузочной способности (крутящего момента) инвертора обычно используют перегрузочную способность по току, и это называется регулированием скорости с постоянным крутящим моментом (номинальный ток остаётся неизменным –> максимальный крутящий момент остаётся неизменным).
Вывод: При увеличении выходной частоты инвертора свыше 50 Гц выходной крутящий момент двигателя уменьшается.
6. Другие факторы, связанные с выходным крутящим моментом
Тепловыделение и теплоотдача определяют выходную токовую способность инвертора, тем самым влияя на выходной крутящий момент инвертора.
1. Несущая частота: Номинальный ток, указанный на инверторе, как правило, соответствует значению, обеспечивающему непрерывную работу при максимальной несущей частоте и максимальной температуре окружающей среды. Уменьшение несущей частоты не повлияет на ток двигателя. Однако тепловыделение компонентов уменьшится.
2. Температура окружающей среды: Точно так же, как значение тока защиты инвертора не будет увеличиваться, если температура окружающей среды окажется относительно низкой.
3. Высота: Увеличение высоты влияет на теплоотдачу и теплоизоляционные свойства. Как правило, на высоте ниже 1000 м этим можно пренебречь, а ёмкость может снижаться на 5% на каждые 1000 м выше.
7.Какая частота подходит преобразователю частоты для управления двигателем?
В приведенном выше обзоре мы узнали, почему инвертор используется для управления двигателем, а также поняли, как он им управляет. Инвертор управляет двигателем, что можно кратко описать следующим образом:
Во-первых, инвертор управляет пусковым напряжением и частотой двигателя, обеспечивая плавный пуск и плавную остановку;
Во-вторых, инвертор используется для регулировки скорости двигателя, а скорость двигателя регулируется путем изменения частоты.
Двигатель с постоянными магнитами компании Anhui MingtengИзделия управляются инвертором. В диапазоне нагрузок 25–120% они обладают более высоким КПД и более широким рабочим диапазоном, чем асинхронные двигатели тех же характеристик, а также обеспечивают значительную экономию энергии.
Наши профессиональные специалисты подберут наиболее подходящий инвертор в соответствии с конкретными условиями эксплуатации и реальными потребностями клиента, чтобы обеспечить лучшее управление двигателем и максимальную производительность. Кроме того, наш отдел технического обслуживания может удаленно помочь клиентам с установкой и наладкой инвертора, а также обеспечить комплексное обслуживание до и после продажи.
Авторские права: Эта статья является перепечаткой публичного номера WeChat «Техническое обучение», оригинальная ссылка https://mp.weixin.qq.com/s/eLgSvyLFTtslLF-m6wXMtA
Эта статья не отражает точку зрения нашей компании. Если у вас другое мнение или взгляды, пожалуйста, поправьте нас!
Время публикации: 09 сентября 2024 г.