pro dosažení vysoké účinnosti, skvělé ovladatelnosti a úspory energie v průmyslových aplikacích souvisejících s indukčními motory je nutné přijmout regulovatelné systémy měničů kmitočtu. Systém frekvenčních měničů je dnes napájen střídavým motorem statickým frekvenčním měničem. Aktuální frekvenční měnič funguje skvěle pro aplikace střídavého motoru a snadnou instalaci. Jeden důležitý problém je však způsoben nesinusovým výstupním napětím. Tento faktor způsobil mnoho nežádoucích problémů. Zvýšené ztráty indukčního motoru, hluk a vibrace, škodlivý dopad na indukční Izolační systém a selhání ložisek jsou příklady problémů systémů souvisejících s frekvenčními měniči. Zvýšené indukční ztráty znamenají de-rating indukčního výstupního výkonu, aby se zabránilo přehřátí. Měření v laboratoři ukazuje, že zvýšení teploty může být u frekvenčního měniče o 40% vyšší ve srovnání s běžnými zdroji napájení. Neustálý výzkum a zlepšování frekvenčních měničů vyřešily mnoho z těchto problémů. Bohužel se zdá, že řešení jednoho problému akcentovalo jiný. Snížení ztrát indukčního a frekvenčního měniče má tendenci zvyšovat škodlivý dopad na izolaci. Výrobci indukce si to samozřejmě uvědomují. Na trhu se začínají objevovat nové indukční konstrukce (motory odolné vůči invertorům). Lepší izolace vinutí statoru a další konstrukční vylepšení zajišťují indukční motory, které budou lépe přizpůsobeny pro aplikace frekvenčních měničů.
Úvod
jedním z nejzávažnějších problémů indukčního motoru byla obtížnost jeho přizpůsobení nastavení rychlosti. Synchronní rychlost střídavého motoru je určena následující rovnicí.

ns = 120 * f / p

ns = synchronní rychlost
f = frekvence elektrické sítě
p = číslo pólu
jediný způsob, jak nastavit rychlost, pro dané číslo pólu je změna frekvence.
základní princip
teoreticky je základní myšlenka Jednoduchá, proces transformace stabilní frekvence elektrického vedení na proměnnou frekvenci se v zásadě provádí ve dvou krocích:

1. napájecí zdroj střídavého proudu je usměrněn na stejnosměrné napětí.
2. stejnosměrné napětí se rozřeže na střídavé napětí požadované frekvence.

frekvenční měnič se v zásadě skládá ze tří bloků: usměrňovače, DC-link a střídače.

různé typy frekvenčních měničů
PWM měnič zdroje napětí (vsi)
PWM (pulzní šířková modulace) je široce používán v průmyslu frekvenčních měničů. Jsou k dispozici od několika set wattů až do megawattů.

převodník PWM nemusí přesně odpovídat zátěži, musí se pouze ujistit,že zátěž nespotřebovává proud vyšší, než je určen převodník PWM. Je docela možné spustit indukci 20 kW s převodníkem PWM o výkonu 100 kW. To je velká výhoda, která usnadňuje provoz aplikace.

frekvenční měnič PWM v současné době používá izolovaný Gate bipolární Překladač (IGBT). Moderní frekvenční měniče PWM fungují velmi dobře a nejsou pozadu za návrhy používajícími sinusový napájecí zdroj – alespoň ne v rozsahu výkonu do 100 kW nebo tak.
měnič zdroje proudu (CSI)
měnič zdroje proudu je ve srovnání s PWM hrubý a poměrně jednoduchý. Používá jednoduché tyristory nebo SCR v silových obvodech, což je mnohem levnější. Má také výhodu, že je velmi spolehlivý. Díky konstrukci je odolný proti zkratu díky velkým induktorům v stejnosměrném spojení. Je objemnější než PWM.

dříve byl měnič zdroje proudu nejlepší volbou pro velké zatížení. Nevýhodou měniče zdroje proudu je potřeba přizpůsobení zátěži. Měnič kmitočtu musí být navržen pro použitý asynchronní motor. Ve skutečnosti je samotná indukce součástí obráceného obvodu.
měnič zdroje proudu dodává asynchronnímu motoru čtvercový proud. Při nízkých rychlostech vytváří indukce kroutící moment. Tento typ frekvenčního měniče bude generovat více šumu na napájecím zdroji ve srovnání s převodníkem PWM. Filtrování je nutné.
přechodné napětí ve výstupním napětí je další nevýhodou měniče zdroje proudu. Přechodové jevy mohou v nejhorších případech dosáhnout téměř dvojnásobku jmenovitého napětí. Existuje také riziko, že izolace vinutí bude předčasně opotřebena, pokud se použije tento měnič kmitočtu. Tento efekt je nejzávažnější, když zátěž neodpovídá frekvenčnímu měniči správně. K tomu může dojít při běhu při částečném zatížení. Tento typ frekvenčního měniče stále více ztrácí svou popularitu.
řízení vektoru toku (FVC)
řízení vektoru toku je sofistikovanější typ měniče kmitočtu, který se používá v aplikacích s extrémními požadavky na řízení. Například v papírnách je nutné velmi přesně řídit rychlost a protahovací síly.
frekvenční měnič FVC má vždy nějaký druh zpětné vazby. Tento druh frekvenčního měniče je obecně malý zájem v aplikacích čerpadel. Je to drahé a jeho výhody nelze využít.
vliv na motor
indukce funguje nejlépe, když je dodávána s čistým zdrojem sinusového napětí. To je většinou případ, kdy je připojen k robustnímu zdroji energie.
když je indukce připojena k frekvenčnímu měniči, bude napájena nesinusovým napětím-spíše jako nasekané čtvercové napětí. Pokud dodáme 3-fázovou indukci se symetrickým 3-fázovým čtvercovým napětím, všechny harmonické, které jsou násobky tří, stejně jako sudá čísla, budou odstraněny kvůli symetrii. Ale stále zbývají čísla 5; 7 a 11; 13 a 17; 19 a 23; 25 a tak dále. Pro každou dvojici harmonických, nižší číslo se otáčí zpětně a vyšší číslo se otáčí dopředu.

rychlost indukčního motoru je určena základním číslem nebo číslem 1 kvůli jeho silné dominanci. Co se stane s harmonickými?
z hlediska harmonických se zdá, že indukce má rotor zablokovaný, což znamená, že skluz je přibližně 1 pro harmonické. Ty neposkytují žádnou užitečnou práci. Výsledkem jsou většinou ztráty rotoru a další zahřívání. Zejména v naší aplikaci je to vážný výsledek. S moderní technologií je však možné eliminovat většinu harmonického obsahu v indukčním proudu, čímž se sníží další ztráty.
frekvenční měnič před
nejčasnější frekvenční měniče často používaly jednoduché čtvercové napětí pro napájení asynchronního motoru. Způsobily problémy s zahříváním a indukce probíhaly s typickým hlukem způsobeným zvlněním točivého momentu. Mnohem lepší výkon byl dosažen pouhým vyloučením pátého a sedmého. To bylo provedeno nějakým extra spínáním napěťového signálu.
frekvenční měnič dnes
v dnešní době je technika sofistikovanější a většina nevýhod je historie. Vývoj rychlých výkonových polovodičů a mikroprocesoru umožnil přizpůsobit spínací vzorec tak, aby byla eliminována většina škodlivých harmonických.
Spínací frekvence do 20 kHz jsou k dispozici pro frekvenční měniče v rozsahu středního výkonu (až do několika desítek kW). Indukční proud s tímto typem frekvenčního měniče bude mít téměř sinusový tvar.
při vysoké spínací frekvenci jsou indukční ztráty udržovány nízké, ale ztráty ve frekvenčním měniči se zvýší. Celkové ztráty se zvýší při příliš vysokých spínacích frekvencích.
některé základní teorie motoru
výroba točivého momentu v asynchronním motoru může být vyjádřena jako

T = v * τ * B

V = objem aktivního rotoru
τ = proud na metr obvod otvoru statoru
B = hustota toku ve vzduchové mezeře

B = úměrná (E / ω) = E / (2 * π * f)

ω = úhlová frekvence napětí statoru

e = indukované napětí statoru
pro dosažení nejlepšího výkonu při různých rychlostech je nutné udržovat vhodnou úroveň magnetizace pro indukci pro každou rychlost.
rozsah různých charakteristik točivého momentu je znázorněn na následujícím obrázku. Pro konstantní zatížení točivým momentem musí být poměr V/F konstantní. Pro čtvercové zatížení točivého momentu bude mít konstantní poměr V / F za následek nadměrně vysokou magnetizaci při nižších otáčkách. To způsobí zbytečně vysoké ztráty železa a ztráty odporu (I2R).

je lepší použít čtvercový poměr V / f. Ztráty železa a ztráty I2R jsou tak sníženy na úroveň přijatelnější pro skutečný zatěžovací moment.
pokud se podíváme na obrázek, zjistíme, že napětí dosáhlo svého maxima a nelze jej zvýšit nad základní frekvenci 50 Hz. Rozsah nad základní frekvencí se nazývá rozsah oslabení pole. Důsledkem toho je, že již není možné udržovat potřebný točivý moment bez zvýšení proudu. To bude mít za následek problémy s zahříváním stejného druhu jako při normálním napětí vedeném ze sinusové rozvodné sítě. Jmenovitý proud měniče kmitočtu bude pravděpodobně překročen.

běží v rozsahu oslabení pole
někdy existuje pokušení spustit čerpadlo na frekvencích nad frekvencí komerční elektrické sítě, aby se dosáhlo pracovního bodu, který by jinak nebyl možný. To vyžaduje zvláštní povědomí. Výkon hřídele čerpadla se zvýší s krychlí rychlosti. Překročení rychlosti 10% bude vyžadovat o 33% vyšší výstupní výkon. Zhruba řečeno, můžeme očekávat, že nárůst teploty se zvýší asi o 75%.

existuje však limit toho, co můžeme vytlačit z indukce při nadměrné rychlosti. Maximální točivý moment indukce klesne jako funkce 1 / F v rozsahu oslabení pole.
je zřejmé, že indukce vypadne, pokud ji frekvenční měnič nemůže podporovat napětím, které odpovídá napětí potřebnému točivým momentem.
Derating
v mnoha případech je indukce provozována na maximální kapacitu ze sinusové rozvodné sítě a žádné další vytápění nelze tolerovat. Pokud je taková indukce napájena z nějakého frekvenčního měniče, musí být s největší pravděpodobností provozována při nižším výstupním výkonu, aby nedošlo k přehřátí.
není neobvyklé, že frekvenční měnič pro velká čerpadla nad 300 kW přidá další indukční ztráty 25-30%. V horním rozsahu výkonu má pouze několik frekvenčních měničů vysokou spínací frekvenci: 500 až 1000 Hz je obvyklé pro bývalou generaci frekvenčních měničů.
pro kompenzaci dodatečných ztrát je nutné snížit výstupní výkon. U velkých čerpadel doporučujeme obecné snížení o 10-15%.
protože měnič kmitočtu znečišťuje napájecí síť harmonickými, někdy je energetická společnost předepsána vstupním filtrem. Tento filtr sníží dostupné napětí obvykle o 5-10%. Indukce bude následně probíhat na 90-95% jmenovitého napětí. Důsledkem je dodatečné vytápění. Deratizace může být nezbytná.
příklad
Předpokládejme, že výstupní výkon skutečného motoru čerpadla je 300 kW při 50 Hz a zvýšení teploty je 80°C pomocí sinusové elektrické sítě. Další ztráty 30% budou mít za následek indukci, která je o 30% teplejší. Konzervativní předpoklad je, že nárůst teploty se mění s druhou mocninou výkonu hřídele.
aby nedošlo k překročení 80°C, musíme snížit výkon hřídele na

= √(1/1.3) * 300 = 263kW

snížení lze dosáhnout buď snížením průměru oběžného kola, nebo zrychlením dolů.
ztráty měniče kmitočtu
je-li stanovena celková účinnost systému měniče kmitočtu, musí být zahrnuty vnitřní ztráty měničů kmitočtu. Tyto ztráty frekvenčního měniče nejsou konstantní a není snadné je určit. Skládají se z konstantní části a části závislé na zatížení.
konstantní ztráty:
chladicí ztráty (chladicí ventilátor— – ztráty v elektronických obvodech atd.

ztráty závislé na zatížení:
Spínací ztráty a ztráty olova v výkonových polovodičích.
následující obrázek ukazuje účinnost měniče kmitočtu jako funkce frekvence při kubickém zatížení pro jednotky o jmenovitém výkonu 45, 90 a 260 kW. Křivky jsou reprezentativní pro frekvenční měniče v rozsahu výkonu 50-300 kW; se spínací frekvencí rovnající se asi 3 kHz as IGBT druhé generace.

účinky na izolaci motoru
výstupní napětí z moderních frekvenčních měničů mají velmi krátkou dobu nárůstu napětí.

dU / dT = 5000V / µs je běžná hodnota.

takové strmé napěťové svahy způsobí nepřiměřené napětí v izolačních materiálech indukčního vinutí. Při krátkých dobách vzestupu není napětí ve vinutí statoru rovnoměrně rozloženo. U sinusového napájecího zdroje je otočné napětí v indukčním vinutí normálně rovnoměrně rozloženo. S frekvenčním měničem na druhé straně klesne až 80% napětí přes první a druhou zatáčku. Protože izolace mezi dráty představuje slabý bod, může se to ukázat jako nebezpečné pro indukci. Krátká doba vzestupu také způsobuje odraz napětí v indukčním kabelu. V nejhorším případě tento jev zdvojnásobí napětí přes indukční svorky. Indukce napájená z frekvenčního měniče 690 V může být vystavena až 1 900 voltů mezi fázemi.
amplituda napětí závisí na délce indukčního kabelu a době vzestupu. Při velmi krátkých dobách vzestupu dochází k úplnému odrazu v kabelu o délce 10 až 20 metrů.
pro zajištění funkce a dostatečné životnosti motoru je naprosto nezbytné, aby bylo vinutí upraveno pro použití s frekvenčním měničem. Indukce pro napětí nad 500 voltů musí mít nějakou formu zesílené izolace. Vinutí statoru musí být impregnováno pryskyřicí, která zajišťuje izolaci bez bublin nebo dutin. Výboje záře často začínají kolem dutin. Tento jev nakonec zničí izolaci.
existují způsoby, jak chránit motor. Nad a nad zesíleným izolačním systémem může být nutné vložit filtr mezi měnič kmitočtu a indukci. Takové filtry jsou k dispozici od většiny známých dodavatelů frekvenčních měničů.
filtr obvykle zpomalí dobu nárůstu napětí z

dU / dT = 5000V / µs na 500-600V / µs

porucha ložiska
porucha rotačního stroje může často souviset s poruchou ložiska. Kromě nadměrného zahřívání, nedostatečného mazání nebo únavy kovů může být elektrický proud ložisky příčinou mnoha záhadných poruch ložisek, zejména při velkých indukcích. Tento jev je obecně způsoben nesymetrií v magnetickém obvodu, který indukuje malé napětí ve struktuře statoru nebo nulovým sekvenčním proudem. Pokud je potenciál mezi strukturou statoru a hřídelovou jednotkou dostatečně vysoký, dojde k vypouštění přes ložisko. Malé elektrické výboje mezi valivými prvky a ložiskovou oběžnou dráhou nakonec poškodí ložisko.
použití frekvenčních měničů zvýší pravděpodobnost výskytu tohoto typu selhání ložiska. Spínací technika moderního frekvenčního měniče způsobuje proud s nulovou sekvencí, který za určitých okolností najde cestu ložisky.
nejjednodušší způsob, jak tento problém vyléčit, je zvýšit překážku pro proud. Obvyklým způsobem je použití ložiska s izolačním povlakem na vnějším kroužku.
závěry
použití frekvenčního měniče neznamená bezproblémové. Spousta otázek, které je třeba věnovat pozornost během projekčních prací. Bude nutné například omezit dostupný výkon hřídele, aby se zabránilo nadměrnému zahřívání? Může se ukázat jako nutné běžet při nižším výstupním výkonu, aby se tomuto problému zabránilo.
bude izolace indukčního motoru odolávat účinkům střídače? Je filtrování nutné? Moderní, účinné střídače mají nepříznivý dopad na izolaci kvůli vysoké spínací frekvenci a krátké době nárůstu napětí.
jakou maximální délku kabelu lze použít, aniž by došlo k úplnému odrazu napětí? Amplituda napětí závisí jak na délce kabelu, tak na době vzestupu. Při velmi krátkých dobách vzestupu dojde k úplnému odrazu v kabelech dlouhých 10 až 20 metrů.
mohlo by být nutné použít izolovaná ložiska, aby se zabránilo tomu, že proud s nulovou sekvencí najde cestu k ložiskům?
pouze tehdy, když se zbavíme všech těchto otázek, budeme schopni učinit správná rozhodnutí o použití frekvenčního měniče.