jotta voidaan saavuttaa korkea hyötysuhde, suuri hallittavuus ja energiansäästö teollisissa induktiomoottorisovelluksissa, on tarpeen ottaa käyttöön ohjattavat taajuusmuuttajajärjestelmät. Taajuusmuuttajajärjestelmä on nykyään staattisen taajuusmuuttajan syöttämä vaihtovirtamoottori. Ajan tasalla oleva taajuusmuuttaja toimii erinomaisesti AC-moottorisovelluksiin ja helppoon asennukseen. Yksi tärkeä asia kuitenkin johtuu ei-sinimuotoisesta lähtöjännitteestä. Tämä tekijä on aiheuttanut paljon ei-toivottuja ongelmia. Lisääntyneet induktiomoottorihäviöt, melu ja tärinä, haitallinen vaikutus induktioeristysjärjestelmään ja laakerin vikaantuminen ovat esimerkkejä taajuusmuuttajiin liittyvistä ongelmista. Lisääntyneet induktiohäviöt tarkoittavat induktiolähtötehon de-luokitusta ylikuumenemisen estämiseksi. Mittaus laboratoriossa osoittaa, että lämpötilan nousu voi olla 40% suurempi taajuusmuuttajalla verrattuna yleiseen virtalähteeseen. Jatkuva tutkimus ja taajuusmuuttajien parantaminen ovat ratkaisseet monia näistä kysymyksistä. Valitettavasti näyttää siltä, että yhden ongelman ratkaiseminen on korostanut toista. Induktion ja taajuusmuuttajan häviöiden vähentäminen on omiaan lisäämään eristykseen kohdistuvia haitallisia vaikutuksia. Induktion valmistajat ovat tietenkin tietoisia tästä. Markkinoille alkaa ilmestyä uusia induktiomalleja (invertterinkestäviä moottoreita). Parempi staattorin käämityseristys ja muut rakenteelliset parannukset takaavat induktiomoottorit, jotka soveltuvat paremmin taajuusmuuttajasovelluksiin.
Johdanto
yksi induktiomoottorin vakavimmista ongelmista on ollut sen mukauttamisen vaikeus nopeuden säätämiseen. VAIHTOVIRTAMOOTTORIN synkroninen nopeus määräytyy seuraavan yhtälön avulla.

ns = 120 * F / P

ns = synkroninen nopeus
f = sähköverkon taajuus
p = napaluku
ainoa tapa säätää nopeutta tietyllä napaluvulla on vaihtaa taajuutta.
perusperiaate
teoriassa perusidea on yksinkertainen, vakaan voimalinjan taajuuden muuttaminen muuttuvaksi taajuudeksi tapahtuu periaatteessa kahdessa vaiheessa:

1. VAIHTOVIRTALÄHDE on korjattu TASAJÄNNITTEEKSI.
2. tasajännite pilkotaan halutun taajuiseksi VAIHTOVIRTAJÄNNITTEEKSI.

taajuusmuuttaja koostuu periaatteessa kolmesta lohkosta: tasasuuntaajasta, TASASUUNTAAJASTA ja vaihtosuuntaajasta.

erityyppiset taajuusmuuttajat
PWM-jännitelähteen invertteri (VSI)
PWM (Pulssinleveysmodulaatio) on laajalti käytössä taajuusmuuttajateollisuudessa. Niitä on saatavilla useista sadoista watteista megawatteihin.

PWM-Muuntimen ei tarvitse vastata kuormitusta tarkasti, sen tarvitsee vain varmistaa, ettei kuormitus kuluta virtaa, joka on suurempi kuin PWM-muunnin on mitoitettu. On täysin mahdollista ajaa 20 kW induktio 100 kW PWM muunnin. Tämä on suuri etu, joka helpottaa sovelluksen toimintaa.

nykyään PWM-taajuusmuuttaja käyttää eristettyä Gate Bipolar Translatoria (IGBT). Nykyaikaiset PWM-taajuusmuuttajat toimivat erittäin hyvin, eivätkä ole kaukana sinimuotoista virtalähdettä käyttävistä malleista – ainakaan 100 kW: n tehoalueella.
virtalähteen invertteri (CSI)
virtalähteen invertteri on karkea ja melko yksinkertainen rakenne verrattuna PWM: ään. Se käyttää yksinkertaisia tyristoreja tai SCRs virtapiireissä, mikä tekee siitä paljon halvempaa. Sen etuna on myös se, että se on erittäin luotettava. Muotoilu tekee siitä oikosulkukestävän, koska DC-linkissä on suuret induktorit. Se on leveämpi kuin PWM.

aiemmin virtalähteen invertteri oli paras valinta suurille kuormille. Haittana nykyinen lähde invertteri on tarve matching kuorman. Taajuusmuuttaja on suunniteltava käytettävää induktiomoottoria varten. Itse induktio on osa käänteispiiriä.
virtalähteen invertteri antaa induktiomoottorille neliönmuotoisen virran. Alhaisilla kierrosnopeuksilla induktio tuottaa kytkevän vääntömomentin. Tämäntyyppinen taajuusmuuttaja tuottaa enemmän melua syöttölähteeseen verrattuna PWM-muuntimeen. Suodatus on välttämätöntä.
raskaan jännitteen transientit lähtöjännitteessä ovat lisävirtalähteen invertterin haitta. Transientit voivat pahimmissa tapauksissa saavuttaa lähes kaksi kertaa nimellisjännitteen. Vaarana on myös, että käämieristys kuluu ennenaikaisesti loppuun, jos tätä taajuusmuuttajaa käytetään. Tämä vaikutus on vakavin, kun kuormitus ei vastaa taajuusmuuttajaa kunnolla. Tämä voi tapahtua, kun ajetaan osakuormalla. Tällainen taajuusmuuttaja menettää suosiotaan yhä enemmän.
Flux Vector Control (FVC)
a flux vector control on kehittyneempi taajuusmuuttajatyyppi, jota käytetään sovelluksissa, joilla on äärimmäiset ohjausvaatimukset. Esimerkiksi paperitehtailla nopeus-ja venytysvoimia joudutaan säätelemään hyvin tarkasti.
FVC-taajuusmuuttajalla on aina jonkinlainen takaisinkytkentäsilmukka. Tällainen taajuusmuuttaja on yleensä vähäisessä määrin kiinnostunut pumppusovelluksista. Se on kallista,eikä sen etuja voi hyödyntää.
vaikutus moottoriin
induktio toimii parhaiten, kun siinä on puhdas sinimuotoinen jännitelähde. Tämä tapahtuu useimmiten silloin, kun se on kytketty kestävään virtalähteeseen.
kun induktio kytketään taajuusmuuttajaan, siihen syötetään ei—sinimuotoista jännitettä-enemmänkin hakattua neliöjännitettä. Jos annamme 3-vaiheisen induktion symmetrisellä 3-vaiheisella neliöjännitteellä, kaikki kolmen kerrannaiset sekä parilliset luvut eliminoituvat symmetrian vuoksi. Mutta jäljellä ovat vielä numerot 5;7 ja 11;13 ja 17;19 ja 23;25 ja niin edelleen. Jokaisen harmoniparin kohdalla pienempi luku on käänteisesti pyörivä ja suurempi numero eteenpäin pyörivä.

induktiomoottorin nopeus määräytyy perusluvun eli luvun 1 mukaan sen vahvan valta-aseman vuoksi. Mitä harmonikoille nyt tapahtuu?
yliaaltojen näkökulmasta induktiolla näyttää olevan roottori tukossa,jolloin liukuma on noin 1 harmonisille. Niistä ei ole mitään hyötyä. Tuloksena on lähinnä roottorihäviöitä ja lisälämmitystä. Erityisesti meidän hakemuksessamme tämä on vakava tulos. Nykytekniikalla on kuitenkin mahdollista poistaa suuri osa induktiovirran harmonisesta sisällöstä, mikä vähentää ylimääräisiä häviöitä.
taajuusmuuttaja ennen
varhaisimmat taajuusmuuttajat käyttivät usein yksinkertaista neliöjännitettä induktiomoottorin syöttämiseen. Ne aiheuttivat lämmitysongelmia ja induktiot kulkivat tyypillisellä vääntömomentin väreilyn aiheuttamalla melulla. Paljon parempi suoritus saavutettiin yksinkertaisesti eliminoimalla viides ja seitsemäs. Se tehtiin jännitesignaalin ylimääräisellä vaihdolla.
taajuusmuuttaja nykyään
nykyään tekniikka on kehittyneempää ja suurin osa haitoista on historiaa. Nopeiden tehopuolijohteiden ja mikroprosessorin kehittäminen on mahdollistanut kytkentäkuvion räätälöinnin siten, että suurin osa haitallisista harmonioista poistuu.
vaihtotaajuudet jopa 20 kHz: iin asti ovat käytettävissä keskitehoalueen (jopa joitakin kymmeniä kilowattitunteja) taajuusmuuttajille. Induktiovirta tämän tyyppisellä taajuusmuuttajalla on lähes sinusmuotoinen.
korkealla kytkentätaajuudella induktiohäviöt pysyvät pieninä, mutta häviöt taajuusmuuttajassa kasvavat. Kokonaishäviöt kasvavat liian korkeilla kytkentätaajuuksilla.
jokin Moottorin perusteoria
induktiomoottorin vääntömomenttituotanto voidaan ilmaista seuraavasti:

T = V * τ * B

V = aktiivisen roottorin tilavuus
τ = Virta / metri staattorin kantaman ympärysmitta
b = Vuontiheys ilmavälissä

b = verrannollinen (E / ω) = E / (2 * π * f)

ω = staattorijännitteen kulmataajuus
e = indusoidun staattorijännitteen kulmataajuus
parhaan suorituskyvyn saavuttamiseksi eri nopeuksilla on tarpeen ylläpitää kullekin nopeudelle sopiva Magnetointitaso induktiolle.
seuraavassa kuvassa esitetään erilaisia vääntömomenttiominaisuuksia. Vakiomomenttikuorman V / F suhteen on oltava vakio. Neliömäisen vääntömomentin kuormituksessa vakio V / F-suhde johtaa liian suureen magnetoitumiseen pienemmällä nopeudella. Näin syntyy tarpeettoman suuria rautahäviöitä ja vastushäviöitä (I2R).

on parempi käyttää neliömäistä V / F-suhdetta. Näin rautahäviöt ja I2R-häviöt pienenevät tasolle, joka on hyväksyttävämpi todellisen kuormitusmomentin kannalta.
jos tarkastelemme lukua, huomaamme, että jännite on saavuttanut maksiminsa eikä sitä voida nostaa yli 50 Hz: n perustaajuuden. Perustaajuuden ylittävää aluetta kutsutaan kentän heikentymisalueeksi. Tämän seurauksena ei ole enää mahdollista ylläpitää tarvittavaa vääntömomenttia ilman virran lisäämistä. Tästä seuraa samantyyppisiä lämmitysongelmia kuin sinimuotoisesta sähköverkosta johdetuilla normaaleilla alijännitteillä. Taajuusmuuttajan nimellisvirta todennäköisesti ylittyy.

ajettaessa kentän heikentymisalueella
joskus on kiusaus ajaa pumppua kaupallisen sähköverkon taajuutta ylittävillä taajuuksilla saavuttaakseen käyttöpisteen, joka muuten olisi mahdotonta. Tämä vaatii ylimääräistä tietoisuutta. Akselin teho pumppu kasvaa kuution nopeuden. 10 prosentin ylinopeus vaatii 33 prosenttia enemmän lähtötehoa. Karkeasti ottaen voidaan olettaa, että lämpötilan nousu kasvaa noin 75 prosenttia.

on kuitenkin olemassa raja sille, mitä voimme puristaa ulos induktiosta ylinopeudella. Induktion suurin vääntömomentti laskee 1/F: n funktiona kentän heikentymisalueella.
on selvää, että induktio häviää, jos taajuusmuuttaja ei pysty tukemaan sitä vääntömomentin tarvitsemaa jännitettä vastaavalla jännitteellä.
Derating
monissa tapauksissa induktio suoritetaan maksimiteholla sinimuotoisesta sähköverkosta, eikä lisälämmitystä voida sietää. Jos tällainen induktio saa virtansa jonkinlaisesta taajuusmuuttajasta, se on todennäköisesti ajettava pienemmällä lähtöteholla ylikuumenemisen välttämiseksi.
ei ole tavatonta, että yli 300 kW: n suurpumppujen taajuusmuuttaja lisää induktiohäviöitä 25-30%. Ylätehoalueella vain muutamilla taajuusmuuttajilla on korkea Kytkentätaajuus: 500-1000 Hz on tavallista edellisen sukupolven taajuusmuuttajille.
ylimääräisten häviöiden kompensoimiseksi on tarpeen pienentää lähtötehoa. Suosittelemme 10-15%: n yleistä purkamista suurille pumpuille.
koska taajuusmuuttaja saastuttaa sähköverkon harmonisilla toiminnoilla, sähköyhtiö määrää joskus tulosuodattimen. Tämä suodatin vähentää käytettävissä olevaa jännitettä tyypillisesti 5-10%. Induktio toimii siten 90-95% nimellisjännitteestä. Seurauksena on lisälämmitystä. Pilkkaaminen voi olla tarpeen.
esimerkki
Oletetaan, että varsinaisen pumppumoottorin lähtöteho on 300 kW taajuudella 50 Hz ja lämpötilan nousu 80°C käyttämällä sinimuotoista sähköverkkoa. 30%: n lisähäviöt johtavat induktioon, joka on 30% lämpimämpi. Konservatiivinen oletus on, että lämpötilan nousu vaihtelee akselin tehon neliöllä.
jotta 80°C ei ylittyisi, on akselin teho vähennettävä arvoon

Preduced = √(1/1.3) * 300 = 263kw

vähennys voidaan saavuttaa joko pienentämällä juoksupyörän halkaisijaa tai nopeuttamalla.
taajuusmuuttajan häviöt
kun taajuusmuuttajajärjestelmän kokonaishyötysuhde määritetään, on otettava huomioon taajuusmuuttajien sisäiset häviöt. Nämä taajuusmuuttajan häviöt eivät ole vakio eikä niitä ole helppo määrittää. Ne koostuvat vakio-osasta ja kuormituksesta riippuvaisesta osasta.
Vakiohäviöt:
Jäähdytyshäviöt (jäähdytystuuletin) – häviöt elektronisissa piireissä ja niin edelleen.

kuormituksesta riippuvat häviöt:
Kytkentähäviöt ja lyijyhäviöt tehopuolijohteissa.
seuraavassa kuvassa esitetään taajuusmuuttajan hyötysuhde taajuuden funktiona kuutiokuormalla 45, 90 ja 260 kW: n nimellisillä yksiköillä. Käyrät edustavat taajuusmuuttajia tehoalueella 50-300 kW; kytkentätaajuus on noin 3 kHz ja toisen sukupolven IGBT.

vaikutukset Moottorin eristykseen
nykyaikaisten taajuusmuuttajien lähtöjännitteillä on hyvin lyhyt jännitteen nousuaika.

dU/DT = 5000V / µs on yhteinen arvo.

tällaiset jyrkät jännitemäet aiheuttavat kohtuutonta rasitusta induktiokäämin eristysmateriaaleille. Lyhyillä nousuajoilla staattorin käämin jännite ei jakaudu tasaisesti. Sinimuotoisella virtalähteellä induktiokäämityksen kääntöjännite jakautuu normaalisti tasan. Taajuusmuuttajalla taas jopa 80% jännitteestä putoaa ensimmäisellä ja toisella vuorolla. Koska johtojen välinen eristys muodostaa heikon kohdan, tämä voi osoittautua vaaralliseksi induktiolle. Lyhyt nousuaika aiheuttaa myös jänniteheijastusta induktiokaapelissa. Pahimmassa tapauksessa tämä ilmiö kaksinkertaistaa induktioliittimien jännitteen. 690 voltin taajuusmuuttajasta syötetty induktio voi altistua jopa 1 900 voltille vaiheiden välillä.
jännitteen amplitudi riippuu induktiokaapelin pituudesta ja nousuajasta. Hyvin lyhyillä nousuajoilla täysi heijastus tapahtuu 10-20 metrin pituisessa kaapelissa.
toiminnan ja riittävän moottorin käyttöiän varmistamiseksi käämi on ehdottomasti sovitettava käytettäväksi taajuusmuuttajan kanssa. Induktioissa yli 500 voltin jännitteille on oltava jonkinlainen vahvistettu eristys. Staattorikäämitys on kyllästettävä hartsilla, joka takaa eristeen, jossa ei ole kuplia tai onteloita. Hehkupurkaukset alkavat usein onkaloiden ympäriltä. Tämä ilmiö tuhoaa lopulta eristeen.
on olemassa tapoja suojata moottoria. Vahvistetun eristysjärjestelmän lisäksi saattaa olla tarpeen asettaa suodatin taajuusmuuttajan ja induktion väliin. Tällaisia suodattimia on saatavilla useimmilta tunnetuilta taajuusmuuttajien toimittajilta.
suodatin tyypillisesti hidastaa jännitteen nousuaikaa

dU/DT = 5000V/µs 500-600V / µs

laakerivika
pyörivien koneiden hajoaminen voi usein liittyä laakerivikaan. Liiallisen kuumentamisen, riittämättömän voitelun tai metallin väsymisen lisäksi laakereiden läpi kulkeva sähkövirta voi olla syynä moniin salaperäisiin laakerivaurioihin, erityisesti suurilla induktioilla. Ilmiö johtuu yleensä magneettipiirin epäsymmetriasta, joka indusoi pienen jännitteen staattorirakenteeseen, tai nollasekvenssivirrasta. Jos staattorirakenteen ja akseliyksikön välinen potentiaali nousee tarpeeksi korkeaksi, purkautuminen tapahtuu laakerin kautta. Pienet sähköpurkaukset vierivien elementtien ja laakeriradan välillä vahingoittavat lopulta laakeria.
taajuusmuuttajien käyttö lisää tämäntyyppisen laakerivaurion todennäköisyyttä. Nykyaikaisen taajuusmuuttajan kytkentätekniikka aiheuttaa nollasekvenssivirran, joka tietyissä olosuhteissa löytää tiensä laakereiden läpi.
helpoin tapa parantaa tämä ongelma on nostaa estettä virralle. Tavallinen tapa on käyttää laakeria, jonka ulkorenkaassa on eristävä pinnoite.
johtopäätökset
taajuusmuuttajan käyttö ei tarkoita ongelmatonta. Paljon kysymyksiä, jotka on kiinnitettävä huomiota aikana suunnittelutyön. Onko esimerkiksi tarpeen rajoittaa käytettävissä olevaa akselitehoa liiallisen kuumenemisen estämiseksi? Voi osoittautua tarpeelliseksi ajaa pienemmällä lähtöteholla tämän ongelman välttämiseksi.
kestääkö induktiomoottorin eristys invertterin vaikutuksia? Onko suodatus tarpeen? Nykyaikaiset, tehokkaat invertterit vaikuttavat haitallisesti eristykseen korkean kytkentätaajuuden ja lyhyen jännitteen nousuajan vuoksi.
mitä kaapelin enimmäispituutta voidaan käyttää tuottamatta täyttä jänniteheijastusta? Jännitteen amplitudi riippuu sekä kaapelin pituudesta että nousuajasta. Hyvin lyhyillä nousuajoilla täysi heijastus tapahtuu 10-20 metriä pitkissä kaapeleissa.
olisiko tarpeen käyttää eristettyjä laakereita, jotta nollasekvenssivirta ei pääsisi laakereihin?
vasta kun selvitämme kaikki nämä kysymykset, voimme tehdä oikeita päätöksiä taajuusmuuttajan käytöstä.