pentru a realiza o eficiență ridicată, o gestionare excelentă și o economie de energie în aplicațiile industriale legate de motoarele de inducție, este necesar să se adopte sisteme de convertoare de frecvență controlabile. Sistemul de conversie a frecvenței în zilele noastre este motorul AC alimentat de un convertor de frecvență static. Convertorul de frecvență actualizat funcționează excelent pentru aplicații cu motor AC și instalare ușoară. Cu toate acestea, o problemă importantă este cauzată de tensiunea de ieșire non-sinusoidală. Acest factor a cauzat o mulțime de probleme nedorite. Pierderile crescute ale motorului de inducție, zgomotul și vibrațiile, impactul dăunător asupra sistemului de izolare a inducției și defectarea rulmentului sunt exemple de probleme ale sistemelor legate de convertorul de frecvență. Pierderile crescute de inducție înseamnă o dezactivare a puterii de ieșire a inducției pentru a preveni supraîncălzirea. Măsurarea în laborator arată că creșterile de temperatură pot fi cu 40% mai mari cu convertorul de frecvență în comparație cu sursele de alimentare generale. Cercetarea continuă și îmbunătățirea convertoarelor de frecvență au rezolvat multe dintre aceste probleme. Din păcate, se pare că rezolvarea unei probleme a accentuat alta. Reducerea pierderilor de inducție și convertor de frecvență tinde să crească impactul negativ asupra izolației. Producătorii de inducție sunt, desigur, conștienți de acest lucru. Noi modele de inducție (motoare rezistente la invertor) încep să apară pe piață. O mai bună izolare a înfășurării statorului și alte îmbunătățiri structurale asigură motoare cu inducție care vor fi mai bine adaptate pentru aplicațiile convertizorului de frecvență.
Introducere
una dintre cele mai grave probleme ale motorului de inducție a fost dificultatea adaptării acestuia la reglarea vitezei. Viteza sincronă a unui motor de curent alternativ este determinată de următoarea ecuație.
ns = 120 * f / p
ns = viteza sincronă
F = frecvența rețelei electrice
p = Numărul polului
singura modalitate de a regla viteza, pentru un număr de pol dat este de a schimba frecvența.
principiul de bază
în teorie, ideea de bază este simplă, procesul de transformare a frecvenței stabile a liniei electrice într-o frecvență variabilă se face practic în două etape:
- sursa de curent alternativ este rectificată într-o tensiune DC.
- tensiunea DC este tăiată într-o tensiune AC cu frecvența dorită.
un convertor de frecvență constă practic din trei blocuri: redresorul, DC-link-ul și invertorul.
diferite tipuri de convertoare de frecvență
invertor sursă de tensiune PWM (VSI)
PWM (modularea lățimii impulsurilor) este aplicată pe scară largă în industria convertizoarelor de frecvență. Acestea sunt disponibile de la câteva sute de wați până la megawați.
un convertor PWM nu trebuie să se potrivească exact cu sarcina, trebuie doar să vă asigurați că sarcina nu consumă curent mai mare decât convertorul PWM este evaluat pentru. Este foarte posibil să rulați o inducție de 20 kW cu un convertor PWM de 100 kW. Acesta este un mare beneficiu care facilitează funcționarea aplicației.
în zilele noastre, convertorul de frecvență PWM utilizează Traducătorul Bipolar izolat (IGBT). Convertoarele moderne de frecvență PWM funcționează foarte bine și nu sunt departe de proiectele care utilizează o sursă de alimentare sinusoidală – cel puțin nu în intervalul de putere de până la 100 kW sau cam așa ceva.
invertor sursă de curent (CSI)
invertorul sursă de curent este un design dur și destul de simplu în comparație cu PWM. Folosește tiristoare simple sau SCR-uri în circuitele de putere, ceea ce îl face mult mai ieftin. De asemenea, are avantajul de a fi foarte fiabil. Designul îl face rezistent la scurtcircuit din cauza inductoarelor mari din legătura DC. Este mai voluminos decât PWM.
anterior, invertorul sursă de curent a fost cea mai bună alegere pentru sarcini mari. Un dezavantaj cu invertorul sursei de curent este nevoia de potrivire cu sarcina. Convertorul de frecvență trebuie proiectat pentru motorul de inducție utilizat. De fapt, inducția în sine face parte din circuitul inversat.
invertorul sursă de curent alimentează motorul de inducție cu un curent în formă de pătrat. La viteze mici, inducția produce un cuplu de cogging. Acest tip de convertor de frecvență va genera mai mult zgomot pe sursa de alimentare în comparație cu convertorul PWM. Filtrarea este necesară.
tranzitorii de tensiune grea în tensiunea de ieșire reprezintă un dezavantaj suplimentar al invertorului sursei de curent. Tranzitorii pot atinge aproape de două ori tensiunea nominală în cele mai grave cazuri. Există, de asemenea, riscul ca izolația înfășurării să fie uzată prematur, dacă se utilizează acest convertor de frecvență. Acest efect este cel mai grav atunci când sarcina nu se potrivește corect cu convertorul de frecvență. Acest lucru se poate întâmpla atunci când rulează la sarcină parțială. Acest tip de convertor de frecvență își pierde popularitatea din ce în ce mai mult.
Flux Vector control (FVC)
un flux vector control este un tip mai sofisticat de convertizor de frecvență care este utilizat în aplicații cu cerințe extreme de control. În fabricile de hârtie, de exemplu, este necesar să se controleze viteza și forțele de întindere foarte precis.
un convertor de frecvență FVC are întotdeauna un fel de buclă de feedback. Acest tip de convertor de frecvență este, în general, de interes minor în aplicațiile pompei. Este scump, iar beneficiile sale nu pot fi profitate.
efect asupra motorului
o inducție funcționează cel mai bine atunci când este furnizată cu o sursă de tensiune sinusoidală pură. Acest lucru este valabil mai ales atunci când este conectat la o sursă de alimentare robustă.
când o inducție este conectată la un convertor de frecvență, aceasta va fi furnizată cu o tensiune non-sinusoidală—mai mult ca o tensiune pătrată tăiată. Dacă furnizăm o inducție în 3 faze cu o tensiune pătrată simetrică în 3 faze, toate armonicile care sunt multipli de trei, precum și numerele pare, vor fi eliminate din cauza simetriei. Dar, încă mai rămân numerele 5;7 și 11;13 și 17;19 și 23;25 și așa mai departe. Pentru fiecare pereche de armonici, numărul inferior se rotește invers, iar numărul mai mare se rotește înainte.
viteza motorului de inducție este determinată de numărul fundamental, sau numărul 1, datorită dominanței sale puternice. Acum ce se întâmplă cu armonicele?
din punct de vedere al armonicilor, inducția pare să aibă rotorul blocat, ceea ce înseamnă că alunecarea este de aproximativ 1 Pentru armonici. Acestea oferă nici o lucrare utilă. Rezultatul este în mare parte pierderi de rotor și încălzire suplimentară. În cererea noastră, în special, acesta este un rezultat serios. Cu tehnologia modernă, totuși, este posibil să se elimine o mare parte din conținutul armonic din curentul de inducție, reducând astfel pierderile suplimentare.
convertor de frecvență înainte de
cele mai vechi convertoare de frecvență foloseau adesea o tensiune pătrată simplă pentru alimentarea motorului de inducție. Au cauzat probleme de încălzire, iar inducțiile au funcționat cu un zgomot tipic cauzat de ondularea cuplului. Performanțe mult mai bune au fost obținute prin simpla eliminare a cincea și a șaptea. Acest lucru a fost făcut printr-o comutare suplimentară a semnalului de tensiune.
convertor de frecvență astăzi
în zilele noastre, tehnica este mai sofisticată și majoritatea dezavantajelor sunt istorie. Dezvoltarea semiconductorilor de putere rapidă și a microprocesorului a făcut posibilă adaptarea modelului de comutare astfel încât majoritatea armonicilor dăunătoare să fie eliminate.
frecvențele de comutare de până la 20 kHz sunt disponibile pentru convertoarele de frecvență în intervalul de putere medie (până la câteva zeci de kW). Curentul de inducție cu acest tip de convertor de frecvență va fi aproape în formă de sinus.
la o frecvență de comutare ridicată, pierderile de inducție sunt menținute scăzute, dar pierderile din convertorul de frecvență vor crește. Pierderile totale vor deveni mai mari la frecvențe de comutare excesiv de mari.
unele teorii de bază ale motorului
producția de cuplu într-un motor de inducție poate fi exprimată ca
T = v * Irak * B
V = Volumul activ al rotorului
XV = curent pe metru circumferința alezajului statorului
B = densitatea fluxului în spațiul de aer
B = proporțional cu (e / 8532>
XV = frecvența unghiulară a tensiunii statorului
e = tensiunea statorului indusă
pentru a obține cea mai bună performanță la diferite viteze, devine necesar să se mențină un nivel adecvat de magnetizare pentru inducție pentru fiecare viteză.
o serie de caracteristici de cuplu diferite este prezentată în figura următoare. Pentru sarcina cuplului constant, raportul V/F trebuie să fie constant. Pentru sarcina cuplului pătrat, un raport V/F constant va duce la magnetizare excesiv de mare la viteză mai mică. Acest lucru va genera pierderi inutile de fier și pierderi de rezistență (I2R).
este mai bine să utilizați un raport V/F pătrat. Pierderile de fier și pierderile I2R sunt astfel reduse la un nivel mai acceptabil pentru cuplul real de sarcină.
dacă ne uităm la figură, constatăm că tensiunea a atins maximul și nu poate fi crescută peste frecvența de bază de 50 Hz. Intervalul de deasupra frecvenței de bază se numește domeniul de slăbire a câmpului. O consecință a acestui fapt este că nu mai este posibilă menținerea cuplului necesar fără creșterea curentului. Acest lucru va duce la probleme de încălzire de același tip ca și în cazul tensiunilor normale sub tensiune de la o rețea electrică sinusoidală. Curentul nominal al convertorului de frecvență va fi probabil depășit.
Rularea în domeniul slăbirii câmpului
uneori, există tentația de a rula pompa la frecvențe peste frecvența rețelei electrice comerciale pentru a ajunge la un punct de serviciu care altfel ar fi imposibil. Acest lucru necesită o conștientizare suplimentară. Puterea arborelui pentru o pompă va crește odată cu cubul de viteză. O viteză de peste 10% va necesita 33% mai multă putere de ieșire. Aproximativ, ne putem aștepta ca creșterea temperaturii să crească cu aproximativ 75%.
există, totuși, o limită a ceea ce putem stoarce din inducție la peste viteză. Cuplul maxim al inducției va scădea în funcție de 1/F în intervalul de slăbire a câmpului.
este evident că inducția va scădea dacă convertorul de frecvență nu îl poate suporta cu o tensiune care corespunde celei necesare cuplului.
scăderea
în multe cazuri, inducția este condusă la capacitate maximă de la o rețea electrică sinusoidală și orice încălzire suplimentară nu poate fi tolerată. Dacă o astfel de inducție este alimentată de la un convertor de frecvență de un fel, cel mai probabil trebuie să funcționeze la o putere de ieșire mai mică pentru a evita supraîncălzirea.
nu este neobișnuit ca un convertor de frecvență pentru pompe mari de peste 300 kW să adauge pierderi suplimentare de inducție de 25-30%. În gama superioară de putere, doar câteva dintre convertoarele de frecvență au o frecvență de comutare ridicată: 500 până la 1000 Hz este obișnuită pentru fosta generație de convertoare de frecvență.
pentru a compensa pierderile suplimentare, este necesar să se reducă puterea de ieșire. Vă recomandăm o reducere generală de 10-15% pentru pompele mari.
deoarece convertorul de frecvență poluează rețeaua de alimentare cu armonici, un filtru de intrare este uneori prescris de compania electrică. Acest filtru va reduce tensiunea disponibilă de obicei 5-10%. Prin urmare, inducția va funcționa la 90-95% din tensiunea nominală. Consecința este încălzirea suplimentară. Ar putea fi necesară o reducere.
exemplu
să presupunem că puterea de ieșire a motorului pompei reale este de 300 kW la 50 Hz, iar creșterea temperaturii este de 80 CTC folosind o rețea electrică sinusoidală. Pierderile suplimentare de 30% vor duce la o inducție cu 30% mai caldă. O presupunere conservatoare este că creșterea temperaturii variază în funcție de pătratul puterii arborelui.
pentru a nu depăși 80 de Centimetre C, trebuie să reducem puterea arborelui la
Preduse = √(1/1.3) * 300 = 263kW
reducerea poate fi realizată fie prin reducerea diametrului rotorului, fie prin accelerarea în jos.
pierderi ale convertizorului de frecvență
când se determină eficiența totală a unui sistem de convertizor de frecvență, trebuie incluse pierderile interne ale convertizoarelor de frecvență. Aceste pierderi ale convertorului de frecvență nu sunt constante și nu sunt ușor de determinat. Ele constau dintr-o parte constantă și o parte dependentă de sarcină.
pierderi constante:
pierderi de răcire (ventilator de răcire)—pierderi în circuitele electronice și așa mai departe.
pierderi dependente de sarcină:
pierderi de comutare și pierderi de plumb în semiconductorii de putere.
figura următoare prezintă eficiența convertizorului de frecvență în funcție de frecvență la o sarcină cubică pentru unitățile nominale la 45, 90 și 260 kW. Curbele sunt reprezentative pentru convertizoarele de frecvență în intervalul de putere de 50-300 kW; cu frecvența de comutare egală cu aproximativ 3 kHz și cu un IGBT din a doua generație.
efecte asupra izolației motorului
tensiunile de ieșire de la convertoarele de frecvență moderne au un timp de creștere a tensiunii foarte scurt.
dU/dT = 5000V/olux este o valoare comună.
astfel de pante abrupte de tensiune vor provoca stres nejustificat în materialele de izolare ale înfășurării de inducție. Cu timpi de creștere scurți, tensiunea în înfășurarea statorului nu este distribuită uniform. Cu o sursă de alimentare sinusoidală, tensiunea de rotație într-o înfășurare de inducție este în mod normal distribuită în mod egal. Cu un convertor de frecvență, pe de altă parte, până la 80% din tensiune va scădea în prima și a doua tură. Deoarece izolația dintre fire constituie un punct slab, acest lucru se poate dovedi a fi periculos pentru inducție. Un timp scurt de creștere determină, de asemenea, reflectarea tensiunii în cablul de inducție. În cel mai rău caz, acest fenomen va dubla tensiunea pe bornele de inducție. O inducție alimentată de la un convertor de frecvență de 690 volți ar putea fi expusă la până la 1 900 volți între faze.
amplitudinea tensiunii depinde de lungimea cablului de inducție și de timpul de creștere. Cu timpi de creștere foarte scurți, reflexia completă are loc într-un cablu de 10 până la 20 de metri lungime.
pentru a asigura funcționarea și durata de viață amplă a motorului, este absolut necesar ca o înfășurare să fie adaptată pentru utilizare cu un convertor de frecvență. Inducțiile pentru tensiuni de peste 500 volți trebuie să aibă o formă de izolație armată. Înfășurarea statorului trebuie impregnată cu o rășină care asigură o izolație fără bule sau cavități. Descărcările strălucitoare încep adesea în jurul cavităților. Acest fenomen va distruge în cele din urmă izolația.
există modalități de a proteja un motor. Pe lângă un sistem de izolație armat, ar putea fi necesar să introduceți un filtru între convertorul de frecvență și inducție. Astfel de filtre sunt disponibile de la cei mai cunoscuți furnizori de convertoare de frecvență.
un filtru va încetini, de obicei, timpul de creștere a tensiunii de la
dU/DT = 5000V/olfacts la 500-600V/olfacts
defectarea rulmentului
defectarea mașinilor rotative poate fi adesea legată de defectarea rulmentului. În plus față de încălzirea excesivă, lubrifierea insuficientă sau oboseala metalică, curentul electric prin rulmenți poate fi cauza din spatele multor defecțiuni misterioase ale rulmenților, în special cu inducții mari. Acest fenomen este în general cauzat de nesimetrie în circuitul magnetic, care induce o tensiune mică în structura statorului sau de un curent de secvență zero. Dacă potențialul dintre structura statorului și unitatea arborelui devine suficient de mare, va avea loc o descărcare prin rulment. Descărcările electrice mici între elementele de rulare și calea de rulare a rulmentului vor deteriora în cele din urmă rulmentul.
utilizarea convertoarelor de frecvență va crește probabilitatea apariției acestui tip de defecțiune a rulmentului. Tehnica de comutare a unui convertor de frecvență modern provoacă un curent de secvență zero care, în anumite circumstanțe, își găsește drumul prin rulmenți.
cel mai simplu mod de a vindeca această problemă este de a ridica un obstacol pentru curent. Metoda obișnuită este utilizarea unui rulment cu un strat izolator pe inelul exterior.
concluzii
utilizarea unui convertor de frecvență nu înseamnă fără probleme. O mulțime de întrebări pe care trebuie să le acordați atenție în timpul lucrărilor de proiectare. Va fi necesar, de exemplu, să limitați puterea arborelui disponibilă pentru a preveni încălzirea excesivă? Se poate dovedi necesar pentru a rula la putere de ieșire mai mică pentru a evita această problemă.
izolația motorului de inducție va rezista efectelor invertorului? Este necesară filtrarea? Invertoarele moderne și eficiente au un impact negativ asupra izolației datorită frecvenței ridicate de comutare și timpului scurt de creștere a tensiunii.
ce lungime maximă a cablului poate fi utilizată fără a produce o reflexie completă a tensiunii? Amplitudinea tensiunii depinde atât de lungimea cablului, cât și de timpul de creștere. Cu timpi de creștere foarte scurți, reflexia completă va avea loc în Cabluri de 10 până la 20 de metri lungime.
ar putea fi necesar să se utilizeze rulmenți izolați pentru a împiedica un curent de secvență zero să ajungă la rulmenți?
numai atunci când vom șterge toate aceste întrebări, vom putea lua decizii corecte cu privire la utilizarea unui convertor de frecvență.