for at realisere høj effektivitet, stor håndterbarhed og energibesparelse i industrielle induktionsmotorrelaterede applikationer er det nødvendigt at vedtage styrbare frekvensomformersystemer. Frekvensomformersystem i dag er vekselstrømsmotor fodret med en statisk frekvensomformer. Den opdaterede frekvensomformer fungerer godt til AC-motorapplikationer og nem installation. Et vigtigt spørgsmål er imidlertid forårsaget af den ikke-sinusformede udgangsspænding. Denne faktor har forårsaget mange uønskede problemer. Øgede induktionsmotortab, støj og vibrationer, skadelig indvirkning på induktionsisoleringssystemet og lejefejl er eksempler på frekvensomformerrelaterede systemers problemer. Øgede induktionstab betyder en de-rating af induktionsudgangseffekten for at forhindre overophedning. Måling i laboratoriet viser, at temperaturstigninger kan være 40% højere med frekvensomformer sammenlignet med generelle strømforsyninger. Kontinuerlig forskning og forbedring af frekvensomformere har løst mange af disse problemer. Desværre ser det ud til, at Løsning af et problem har accenteret et andet. Reduktion af induktions-og frekvensomformertab har en tendens til at øge den skadelige indvirkning på isoleringen. Induktionsproducenterne er selvfølgelig opmærksomme på dette. Nye induktionsdesign (inverterresistente motorer) begynder at blive vist på markedet. Bedre statorviklingsisolering og andre strukturelle forbedringer sikrer induktionsmotorer, der vil blive bedre tilpasset til frekvensomformerapplikationer.
introduktion
et af de mest alvorlige problemer for induktionsmotoren har været vanskeligheden ved at tilpasse den til hastighedsjustering. Den synkrone hastighed for en vekselstrømsmotor bestemmes af følgende ligning.
ns = 120 * f / p
ns = synkron hastighed
f = strømnetfrekvens
p = polnummer
den eneste måde at justere hastigheden på for et givet polnummer er at ændre frekvensen.
grundprincippet
i teorien er grundideen enkel, processen med at omdanne den stabile kraftledningsfrekvens til en variabel frekvens udføres grundlæggende i to trin:
- VEKSELSTRØMSKILDEN korrigeres til en jævnspænding.
- jævnspændingen hugges op i en vekselstrømsspænding med den ønskede frekvens.
en frekvensomformer består grundlæggende af tre blokke: ensretteren, DC-linket og omformeren.
forskellige typer frekvensomformere
PMV spændingskilde Inverter (VSI)
PMV (pulsbreddemodulation) anvendes bredt i frekvensomformerindustrien. De er tilgængelige fra flere hundrede vand op til megavatts.
en PMM-konverter behøver ikke at matche belastningen nøjagtigt, den behøver kun at sørge for, at belastningen ikke forbruger strøm højere end PMM-konverteren er klassificeret til. Det er meget muligt at køre en 20 kV induktion med en 100 kV omformer. Dette er en stor fordel, der gør driften lettere for applikationen.
i dag bruger frekvensomformeren isolated Gate Bipolar Translator (IGBT). Moderne frekvensomformere fungerer meget godt og er ikke langt bag design ved hjælp af en sinusformet strømforsyning – i det mindste ikke i effektområdet op til 100 kV eller deromkring.
Current Source Inverter (CSI)
den nuværende kilde inverter er et groft og ret simpelt design i forhold til PMM. Det bruger enkle tyristorer eller SCR ‘ er i strømkredsløbene, hvilket gør det meget billigere. Det har også fordel af at være meget pålidelig. Designet gør det kortslutningsbestandigt på grund af de store induktorer i DC-forbindelsen. Det er større end PV.
tidligere var den nuværende kilde inverter det bedste valg til store belastninger. En ulempe med den aktuelle kilde inverter er behovet for at matche til belastningen. Frekvensomformeren skal være konstrueret til den anvendte induktionsmotor. Faktisk er induktionen selv en del af det inverterede kredsløb.
den aktuelle kildeomformer forsyner induktionsmotoren med en firkantet strøm. Ved lave hastigheder producerer induktionen et tandhjulsmoment. Denne type frekvensomformer vil generere mere støj på forsyningskilden sammenlignet med PMM-konverteren. Filtrering er nødvendig.
Tungspændingstransienter i udgangsspændingen er en yderligere ulempe ved strømkildeomformeren. Transienterne kan nå næsten det dobbelte af den nominelle spænding i de værste tilfælde. Der er også en risiko for, at viklingsisoleringen slides for tidligt, hvis denne frekvensomformer anvendes. Denne effekt er mest alvorlig, når belastningen ikke passer korrekt til frekvensomformeren. Dette kan ske, når du kører ved delbelastning. Denne form for frekvensomformer mister sin popularitet mere og mere.
Flusvektorstyring (FVC)
en flusvektorstyring er en mere sofistikeret type frekvensomformer, der bruges i applikationer med ekstreme kontrolkrav. I papirfabrikker er det for eksempel nødvendigt at kontrollere hastighed og strækningskræfter meget præcist.
en FVC frekvensomformer har altid en slags feedback loop. Denne form for frekvensomformer er generelt af mindre interesse i pumpeapplikationer. Det er dyrt, og dets fordele kan ikke udnyttes.
effekt på motoren
en induktion fungerer bedst, når den leveres med en ren sinusformet spændingskilde. Dette er for det meste tilfældet, når det er tilsluttet en robust forsyningskilde.
når en induktion er tilsluttet en frekvensomformer, vil den blive forsynet med en ikke-sinusformet spænding—mere som en hakket firkantet spænding. Hvis vi leverer en 3-faset induktion med en symmetrisk 3-faset kvadratspænding, vil alle harmoniske, der er multipla af tre, såvel som de lige tal, blive elimineret på grund af symmetri. Men, stadig tilbage er tallene 5;7 og 11;13 og 17;19 og 23; 25 og så videre. For hvert par harmoniske roterer det lavere tal omvendt, og det højere tal roterer fremad.
induktionsmotorens hastighed bestemmes af det grundlæggende tal eller nummer 1 på grund af dets stærke Dominans. Hvad sker der med harmonikerne?
set fra harmoniske synspunkt ser induktionen ud til at have rotoren blokeret, hvilket betyder, at glidningen er cirka 1 for harmoniske. Disse giver ikke noget nyttigt arbejde. Resultatet er for det meste rotortab og ekstra opvarmning. Især i vores ansøgning er dette et alvorligt resultat. Med moderne teknologi er det imidlertid muligt at eliminere meget af det harmoniske indhold i induktionsstrømmen og derved reducere de ekstra tab.
frekvensomformer før
de tidligste frekvensomformere brugte ofte en simpel firkantet spænding til at forsyne induktionsmotoren. De forårsagede opvarmningsproblemer, og induktionerne løb med en typisk støj forårsaget af momentrippel. Meget bedre ydeevne blev opnået ved blot at eliminere den femte og den syvende. Det blev gjort gennem nogle ekstra skift af spændingssignalet.
frekvensomformer i dag
i dag er teknikken mere sofistikeret, og de fleste ulemper er historie. Udvikling af hurtige halvledere og mikroprocessoren har gjort det muligt at skræddersy skiftemønsteret på en sådan måde, at de fleste af de skadelige harmoniske elimineres.
Skiftefrekvenser på op til 20 hk er tilgængelige for frekvensomformere i mellemeffektområdet (op til nogle titalls kV). Induktionsstrømmen med denne type frekvensomformer vil være næsten sinusformet.
ved en høj Skiftefrekvens holdes induktionstab lavt, men tab i frekvensomformeren vil stige. De samlede tab vil blive højere ved for høje koblingsfrekvenser.
nogle motor grundlæggende teori
drejningsmomentproduktionen i en induktionsmotor kan udtrykkes som
T = V * liter * B
V = Aktiv rotorvolumen
liter = strøm pr.meter statorboreomkreds
B = strømtæthed i luftspalten
B = proportional med (E / liter) = E / (2 * liter * f)
lut = statorspændingens vinkelfrekvens
e = induceret statorspænding
for at opnå den bedste ydelse ved forskellige hastigheder bliver det nødvendigt at opretholde et passende Magnetiseringsniveau for induktionen for hver hastighed.
en række forskellige momentegenskaber er vist som følgende figur. For den konstante momentbelastning skal v / F-forholdet være konstant. For den firkantede drejningsmomentbelastning vil et konstant V/F-forhold resultere i for høj magnetisering ved lavere hastighed. Dette vil generere unødigt høje jerntab og modstandstab (i2r).
det er bedre at bruge et firkantet v/f-forhold. Jerntabene og I2R-tabene reduceres således til et niveau, der er mere acceptabelt for det faktiske belastningsmoment.
hvis vi ser på figuren, finder vi ud af, at spændingen har nået sit maksimum og ikke kan øges over basisfrekvensen på 50 timer. Området over basisfrekvensen kaldes feltets svækkelsesområde. En konsekvens af dette er, at det ikke længere er muligt at opretholde det nødvendige drejningsmoment uden at øge strømmen. Dette vil resultere i opvarmningsproblemer af samme art som ved normale underspændinger, der løber fra et sinusformet elnet. Frekvensomformerens nominelle strøm vil sandsynligvis blive overskredet.
kører i feltet-svækkelse område
nogle gange er der en fristelse til at køre pumpen ved frekvenser over den kommercielle elnet frekvens for at nå et punkt, der ellers ville være umuligt. Det kræver ekstra opmærksomhed. Akselkraften til en pumpe vil stige med KUBEN af hastighed. En overhastighed på 10% kræver 33% mere udgangseffekt. Groft sagt kan vi forvente, at temperaturstigningen vil stige med omkring 75%.
der er ikke desto mindre en grænse for, hvad vi kan presse ud af induktionen ved overhastighed. Det maksimale drejningsmoment for induktionen falder som en funktion på 1 / F i feltets svækkelsesområde.
det er indlysende, at induktionen falder ud, hvis frekvensomformeren ikke kan understøtte den med en spænding, der svarer til den, der kræves af drejningsmomentet.
Derating
i mange tilfælde køres induktionen med maksimal kapacitet fra et sinusformet elnet, og enhver ekstra opvarmning kan ikke tolereres. Hvis en sådan induktion drives fra en frekvensomformer af en eller anden art, skal den sandsynligvis køres med lavere udgangseffekt for at undgå overophedning.
det er ikke usædvanligt, at en frekvensomformer til store pumper over 300 kV tilføjer ekstra induktionstab på 25-30%. I det øvre effektområde har kun få af frekvensomformerne en høj koblingsfrekvens: 500 til 1000 HS er sædvanlig for den tidligere generation af frekvensomformere.
for at kompensere for de ekstra tab er det nødvendigt at reducere udgangseffekten. Vi anbefaler en generel derating på 10-15% for store pumper.
da frekvensomformeren forurener forsyningsnettet med harmoniske, foreskrives et indgangsfilter undertiden af elselskabet. Dette filter reducerer den tilgængelige spænding med typisk 5-10%. Induktionen vil derfor køre ved 90-95% af nominel spænding. Konsekvensen er yderligere opvarmning. Derating kan være nødvendigt.
eksempel
Antag, at udgangseffekten for den faktiske pumpemotor er 300 kv Ved 50 HS, og temperaturstigningen er 80 liter C ved hjælp af et sinusformet strømnet. Ekstra tab på 30% vil resultere i en induktion, der er 30% varmere. En konservativ antagelse er, at temperaturstigningen varierer med kvadratet af akselkraft.
for ikke at overstige 80 liter C, er vi nødt til at reducere akselkraften til
Preduced = √(1/1.3) * 300 = 263kv
reduktionen kan opnås enten ved at reducere pumpehjulets diameter eller ved at fremskynde ned.
Frekvensomformertab
når den samlede effektivitet af et frekvensomformersystem bestemmes, skal frekvensomformernes interne tab medtages. Disse frekvensomformertab er ikke konstante og ikke lette at bestemme. De består af en konstant del og en belastningsafhængig del.
konstante tab:
Køletab (køleventilator)—tab i de elektroniske kredsløb og så videre.
Belastningsafhængige tab:
Skiftetab og blytab i effekt halvledere.
følgende figur viser frekvensomformerens effektivitet som funktion af frekvensen ved en kubisk belastning for enheder, der er klassificeret til 45, 90 og 260 kV. Kurverne er repræsentative for frekvensomformere i effektområdet 50-300 kva; med koblingsfrekvensen svarende til omkring 3 KHS og med en IGBT af anden generation.
effekter på motorisolering
udgangsspændingerne fra moderne frekvensomformere har en meget kort spændingsstigningstid.
dU/dT = 5000v/Krists er en fælles værdi.
sådanne stejle spændingshældninger vil forårsage unødig belastning i induktionsviklingens isoleringsmaterialer. Med korte stigningstider er spændingen i statorviklingen ikke ensartet fordelt. Med en sinusformet strømforsyning er svingspændingen i en induktionsvikling normalt ligeligt fordelt. Med en frekvensomformer på den anden side falder op til 80% af spændingen over den første og den anden drejning. Da isoleringen mellem ledningerne udgør et svagt punkt, kan dette vise sig at være farligt for induktionen. En kort stigningstid forårsager også spændingsreflektion i induktionskablet. I værste fald vil dette fænomen fordoble spændingen over induktionsterminalerne. En induktion fodret fra en 690 volt frekvensomformer kan blive udsat for op til 1 900 volt mellem faser.
spændingsamplituden afhænger af længden af induktionskablet og stigningstiden. Med meget korte stigningstider forekommer fuld refleksion i et kabel, der er 10 til 20 meter langt.
for at sikre funktion og rigelig motorlevetid er det absolut nødvendigt, at en vikling tilpasses til brug med en frekvensomformer. Induktioner for spændinger over 500 volt skal have en form for forstærket isolering. Statorviklingen skal imprægneres med en harpiks, der sikrer en isolering fri for bobler eller hulrum. Glødudladninger starter ofte omkring hulrum. Dette fænomen vil i sidste ende ødelægge isoleringen.
der er måder at beskytte en motor på. Ud over et forstærket isoleringssystem kan det være nødvendigt at indsætte et filter mellem frekvensomformeren og induktionen. Sådanne filtre er tilgængelige fra de fleste kendte frekvensomformerleverandører.
et filter vil typisk sænke spændingsstigningstiden fra
du/dt = 5000v/liter til 500-600V/liter
lejesvigt
nedbrydning af roterende maskiner kan ofte relateres til lejesvigt. Ud over overdreven opvarmning, utilstrækkelig smøring eller metaludmattelse kan elektrisk strøm gennem lejerne være årsagen til mange mystiske lejesammenbrud, især med store induktioner. Dette fænomen er generelt forårsaget af ikke-symmetri i det magnetiske kredsløb, som inducerer en lille spænding i statorstrukturen eller af en nul-sekvensstrøm. Hvis potentialet mellem statorstrukturen og akselenheden bliver højt nok, vil en udledning finde sted gennem lejet. Små elektriske udladninger mellem rulleelementerne og lejebanen vil i sidste ende beskadige lejet.
brugen af frekvensomformere vil øge sandsynligheden for, at denne type lejefejl forekommer. Skifteteknikken for en moderne frekvensomformer forårsager en nul-sekvensstrøm, der under visse omstændigheder finder vej gennem lejerne.
den nemmeste måde at helbrede dette problem på er at rejse en hindring for strømmen. Den sædvanlige metode er at anvende et leje med en isolerende belægning på den ydre ring.
konklusioner
brug af en frekvensomformer betyder ikke problemfri. Masser af spørgsmål, der skal være opmærksomme under designarbejdet. Vil det for eksempel være nødvendigt at begrænse den tilgængelige akselkraft for at forhindre overdreven opvarmning? Det kan vise sig nødvendigt at køre med lavere udgangseffekt for at undgå dette problem.
vil induktionsmotorens isolering modstå effekter fra inverteren? Er filtrering nødvendig? Moderne, effektive omformere har skadelig indvirkning på isoleringen på grund af høj koblingsfrekvens og kort spændingsstigningstid.
hvilken maksimal kabellængde kan bruges uden at producere fuld spændingsreflektion? Spændingsamplituden afhænger af både kabellængden og stigningstiden. Med meget korte stigningstider vil fuld refleksion forekomme i kabler, der er 10 til 20 meter lange.
kan det være nødvendigt at bruge isolerede lejer for at forhindre, at en nul-sekvensstrøm finder vej til lejerne?
kun når vi rydder af alle disse spørgsmål, vil vi være i stand til at træffe rigtige beslutninger om brugen af en frekvensomformer.