az ipari indukciós motorokkal kapcsolatos alkalmazások nagy hatékonyságának, nagy kezelhetőségének és energiatakarékosságának megvalósításához vezérelhető frekvenciaváltó rendszereket kell elfogadni. A frekvenciaváltó rendszer manapság váltóáramú motor, amelyet statikus frekvenciaváltó táplál. Az up-to-date frekvenciaváltó kiválóan működik az AC motor alkalmazásokhoz és az egyszerű telepítéshez. Az egyik fontos kérdést azonban a nem szinuszos kimeneti feszültség okozza. Ez a tényező sok nemkívánatos problémát okozott. A megnövekedett indukciós motorveszteségek, a zaj és a rezgések, az indukciós szigetelő rendszerre gyakorolt káros hatás és a csapágy meghibásodása példák a frekvenciaváltóval kapcsolatos rendszerek problémáira. A megnövekedett indukciós veszteségek az indukciós kimeneti teljesítmény besorolását jelentik a túlmelegedés megelőzése érdekében. A laboratóriumi mérések azt mutatják, hogy a hőmérséklet-emelkedés 40% – kal magasabb lehet a frekvenciaváltóval az Általános tápegységekhez képest. A frekvenciaváltók folyamatos kutatása és fejlesztése számos problémát megoldott. Sajnos úgy tűnik, hogy az egyik probléma megoldása hangsúlyozta a másikat. Az indukciós és frekvenciaváltó veszteségeinek csökkentése növeli a szigetelésre gyakorolt káros hatást. Az indukciós gyártók természetesen tisztában vannak ezzel. Új indukciós tervek (inverter-rezisztens motorok) kezdenek megjelenni a piacon. A jobb állórész tekercselés szigetelés és egyéb szerkezeti fejlesztések biztosítják az indukciós motorokat, amelyek jobban alkalmazkodnak a frekvenciaváltó alkalmazásokhoz.
Bevezetés
az indukciós motor egyik legsúlyosabb problémája a sebességbeállításhoz való alkalmazkodás nehézsége volt. A váltakozó áramú motor szinkron sebességét a következő egyenlet határozza meg.
ns = 120 * f / p
ns = szinkron sebesség
f = elektromos hálózat frekvenciája
p = Pólusszám
a sebesség beállításának egyetlen módja egy adott Pólusszám esetén a frekvencia megváltoztatása.
az alapelv
elméletileg az alapötlet egyszerű, a stabil távvezeték-frekvencia változó frekvenciává történő átalakításának folyamata alapvetően két lépésben történik:
- a váltakozó áramú áramforrás egyenáramú feszültségre van állítva.
- az egyenfeszültséget a kívánt frekvenciájú váltakozó feszültségre vágjuk.
a frekvenciaváltó alapvetően három blokkból áll: az egyenirányító, a DC-link és az inverter.
különböző típusú frekvenciaváltók
PWM feszültségforrás Inverter (VSI)
a PWM (impulzusszélesség-moduláció) széles körben alkalmazzák a frekvenciaváltó iparban. Ezek rendelkezésre állnak a több száz watt akár megawatt.
a PWM átalakítónak nem kell pontosan megfelelnie a terhelésnek, csak azt kell ellenőriznie, hogy a terhelés nem fogyaszt-e nagyobb áramot, mint amire a PWM átalakító névleges. Teljesen lehetséges egy 20 kW-os indukció futtatása egy 100 kW-os PWM átalakítóval. Ez egy nagy előny, amely megkönnyíti az alkalmazás működését.
manapság a PWM frekvenciaváltó szigetelt kapu bipoláris Fordítót (IGBT) használ. A Modern PWM frekvenciaváltók nagyon jól teljesítenek, és nem messze vannak a szinuszos tápegységet használó tervektől – legalábbis nem a 100 kW-ig terjedő teljesítménytartományban.
áramforrás-Inverter (Csi)
az áramforrás-inverter durva és meglehetősen egyszerű kialakítás a PWM-hez képest. Egyszerű tirisztorokat vagy SCRs-t használ az áramkörökben, ami sokkal olcsóbbá teszi. Előnye az is, hogy nagyon megbízható. A kialakítás rövidzárlatbiztossá teszi az egyenáramú kapcsolat nagy induktorai miatt. Nagyobb, mint a PWM.
korábban az áramforrás-inverter volt a legjobb választás nagy terhelésekhez. Az áramforrás-inverter hátránya a terheléshez való illesztés szükségessége. A frekvenciaváltót az alkalmazott indukciós motorhoz kell tervezni. Valójában maga az indukció a fordított áramkör része.
az áramforrás-inverter négyzet alakú árammal látja el az indukciós motort. Alacsony fordulatszámon az indukció fogó nyomatékot eredményez. Ez a fajta frekvenciaváltó több zajt generál a tápforráson, mint a PWM átalakító. Szűrés szükséges.
a kimeneti feszültség nagyfeszültségű tranziensei az áramforrás-inverter további hátrányát jelentik. A tranziensek a legrosszabb esetben a névleges feszültség közel kétszeresét is elérhetik. Fennáll annak a veszélye is, hogy a tekercsszigetelés idő előtt elhasználódik, ha ezt a frekvenciaváltót használják. Ez a hatás akkor a legsúlyosabb, ha a terhelés nem felel meg megfelelően a frekvenciaváltónak. Ez akkor fordulhat elő, ha részterheléssel fut. Ez a fajta frekvenciaváltó egyre inkább elveszíti népszerűségét.
Flux Vector Control (FVC)
a flux vector control egy kifinomultabb típusú frekvenciaváltó, amelyet extrém szabályozási igényekkel rendelkező alkalmazásokban használnak. A papírgyárakban például nagyon pontosan kell szabályozni a sebességet és a nyújtóerőt.
az FVC frekvenciaváltónak mindig van valamilyen visszacsatolási hurokja. Ez a fajta frekvenciaváltó általában kisebb érdeklődést mutat a szivattyú alkalmazásokban. Ez drága, és előnyeit nem lehet kihasználni.
hatás a motorra
az indukció akkor működik a legjobban, ha tiszta szinuszos feszültségforrással van ellátva. Ez leginkább akkor fordul elő, ha robusztus közüzemi áramforráshoz csatlakozik.
ha egy indukció egy frekvenciaváltóhoz van csatlakoztatva, akkor nem szinuszos feszültséggel lesz ellátva-inkább egy apróra vágott négyzet feszültséggel. Ha egy 3 fázisú indukciót szimmetrikus 3 fázisú négyzetfeszültséggel szállítunk, akkor a szimmetria miatt megszűnik az összes harmonikus, amely háromszorosa, valamint a páros számok. De még mindig vannak az 5-ös számok;7 és 11;13 és 17;19 és 23;25 és így tovább. Minden harmonikus pár esetében az alsó szám fordított, a nagyobb szám pedig előre forog.
az indukciós motor sebességét az alapszám vagy az 1.szám határozza meg erős dominanciája miatt. Mi történik a harmonikusokkal?
a harmonikusok szempontjából úgy tűnik, hogy az indukciónál a rotor blokkolva van, ami azt jelenti, hogy a csúszás körülbelül 1 a harmonikusok számára. Ezek nem nyújtanak hasznos munkát. Az eredmény többnyire rotor veszteségek és extra fűtés. Különösen alkalmazásunkban ez komoly eredmény. A modern technológiával azonban az indukciós áram harmonikus tartalmának nagy része kiküszöbölhető, ezáltal csökkentve az extra veszteségeket.
frekvenciaváltó
előtt a legkorábbi frekvenciaváltók gyakran egyszerű négyzetfeszültséget használtak az indukciós motor ellátására. Felmelegedési problémákat okoztak, és az indukciókat tipikus zajjal hajtották végre, amelyet a nyomaték hullámzása okozott. Sokkal jobb teljesítményt értek el az ötödik és a hetedik megszüntetésével. Ez a feszültségjel némi extra kapcsolásával történt.
frekvenciaváltó ma
manapság a technika kifinomultabb, és a legtöbb hátránya a történelem. A gyors teljesítményű félvezetők és a mikroprocesszor fejlesztése lehetővé tette a kapcsolási minta testreszabását oly módon, hogy a káros harmonikusok többsége kiküszöbölhető legyen.
legfeljebb 20 kHz-es kapcsolási frekvenciák állnak rendelkezésre a közepes teljesítményű (néhány tíz kW-ig terjedő) frekvenciaváltókhoz. Az indukciós áram az ilyen típusú frekvenciaváltóval majdnem sinus alakú lesz.
magas kapcsolási frekvencián az indukciós veszteségek alacsonyak maradnak, de a frekvenciaváltóban a veszteségek növekedni fognak. A teljes veszteség magasabb lesz a túl magas kapcsolási frekvenciákon.
néhány motor alapvető elmélet
a nyomaték termelés egy indukciós motor lehet kifejezni, mint
T = V * ons * B
V = aktív forgórész térfogata
ons = áram méterenként állórész furat kerülete
B = fluxus sűrűség a légrés
B = arányos (E / ons) = E / (2 8532>
^ = az állórész feszültségének szögfrekvenciája
e = indukált állórész feszültsége
a legjobb teljesítmény elérése érdekében különböző sebességeknél szükségessé válik az indukcióhoz megfelelő mágnesezési szint fenntartása minden fordulatszámra.
a következő ábrán a különböző nyomatékjellemzők tartománya látható. Állandó nyomatékterhelés esetén a V / F aránynak állandónak kell lennie. A négyzet alakú nyomatékterhelésnél az állandó V / F Arány túlságosan nagy mágnesezést eredményez alacsonyabb fordulatszámon. Ez szükségtelenül nagy vasveszteségeket és ellenállási veszteségeket (I2R) okoz.
jobb, ha négyzet alakú V/F arányt használ. A vasveszteség és az I2R veszteség így a tényleges terhelési nyomaték szempontjából elfogadhatóbb szintre csökken.
ha megnézzük az ábrát, azt találjuk, hogy a feszültség elérte a maximumot, és nem növelhető az 50Hz alapfrekvencia fölé. Az alapfrekvencia feletti tartományt mezőgyengítő tartománynak nevezzük. Ennek következménye, hogy az áram növelése nélkül már nem lehet fenntartani a szükséges nyomatékot. Ez ugyanolyan típusú felmelegedési problémákat eredményez, mint a szinuszos elektromos hálózatból származó normál feszültségeknél. A frekvenciaváltó névleges áramát valószínűleg túllépik.
futás a mezőgyengítő tartományban
néha kísértés van arra, hogy a szivattyút a kereskedelmi villamosenergia-hálózat frekvenciája feletti frekvenciákon működtesse annak érdekében, hogy elérje az egyébként lehetetlen szolgálati pontot. Ez további tudatosságot igényel. A szivattyú tengelyteljesítménye a sebességkockával növekszik. A 10% – os túlsebesség 33% – kal több kimeneti teljesítményt igényel. Nagyjából elmondható, hogy a hőmérséklet-emelkedés körülbelül 75% – kal nő.
ennek ellenére van egy határ, hogy mit tudunk kiszorítani az indukcióból túlsebességgel. Az indukció maximális nyomatéka 1/F függvényében csökken a terepi gyengítési tartományban.
nyilvánvaló, hogy az indukció kiesik, ha a frekvenciaváltó nem tudja támogatni azt a nyomatéknak megfelelő feszültséggel.
csökkentés
sok esetben az indukció maximális kapacitással működik szinuszos elektromos hálózatból, és semmilyen extra fűtés nem tolerálható. Ha egy ilyen indukció valamilyen frekvenciaváltóból táplálkozik, akkor valószínűleg alacsonyabb kimeneti teljesítményen kell működtetni a túlmelegedés elkerülése érdekében.
nem szokatlan, hogy a 300 kW feletti nagy szivattyúk frekvenciaváltója további 25-30% – os indukciós veszteséget eredményez. A felső teljesítménytartományban csak néhány frekvenciaváltó rendelkezik magas kapcsolási frekvenciával: 500-1000 Hz szokásos a frekvenciaváltók korábbi generációjánál.
az extra veszteségek kompenzálásához csökkenteni kell a kimeneti teljesítményt. A nagy szivattyúk esetében 10-15% – os általános csökkentést javasolunk.
mivel a frekvenciaváltó harmonikusokkal szennyezi a táphálózatot, az áramszolgáltató néha bemeneti szűrőt ír elő. Ez a szűrő általában 5-10% – kal csökkenti a rendelkezésre álló feszültséget. Az indukció következésképpen a névleges feszültség 90-95% – án fog működni. Ennek következménye a további fűtés. Szükség lehet a csökkentésre.
példa
tegyük fel, hogy a tényleges szivattyúmotor kimenő teljesítménye 300 kW 50 Hz-en, a hőmérséklet-emelkedés pedig 80 KB szinuszos elektromos hálózat használatával. A 30% – os Extra veszteségek 30% – kal melegebb indukciót eredményeznek. Konzervatív feltételezés, hogy a hőmérséklet-emelkedés a tengely teljesítményének négyzetével változik.
annak érdekében, hogy ne haladja meg a 80 db C, van, hogy csökkentse a tengely teljesítmény
Preduced = √(1/1.3) * 300 = 263kW
a csökkentés a járókerék átmérőjének csökkentésével vagy gyorsítással érhető el.
frekvenciaváltók veszteségei
a frekvenciaváltó rendszer teljes hatékonyságának meghatározásakor a frekvenciaváltók belső veszteségeit is figyelembe kell venni. Ezek a frekvenciaváltók veszteségei nem állandóak és nem könnyű meghatározni. Ezek egy állandó részből és egy terheléstől függő részből állnak.
állandó veszteségek:
hűtési veszteségek (hűtőventilátor)—veszteségek az elektronikus áramkörökben és így tovább.
Terhelésfüggő veszteségek:
kapcsolási veszteségek és ólomveszteségek a teljesítmény félvezetőkben.
az alábbi ábra a frekvenciaváltó hatékonyságát mutatja a frekvencia függvényében köbös terhelés esetén a 45, 90 és 260 kW névleges egységeknél. A görbék reprezentatívak az 50-300 kW teljesítménytartományban lévő frekvenciaváltókra;a kapcsolási frekvencia körülbelül 3 kHz, a második generációs IGBT pedig.
a motor szigetelésére gyakorolt hatások
a modern frekvenciaváltók kimeneti feszültsége nagyon rövid feszültségemelkedési idővel rendelkezik.
dU/dT = 5000v/ons egy közös érték.
az ilyen meredek feszültségű lejtők indokolatlan feszültséget okoznak az indukciós tekercs szigetelőanyagaiban. Rövid emelkedési idő esetén az állórész tekercsében a feszültség nem egyenletesen oszlik el. Szinuszos tápegységgel az indukciós tekercs fordulási feszültsége általában egyenlően oszlik el. Ezzel szemben egy frekvenciaváltóval a feszültség akár 80% – a is csökken az első és a második fordulón. Mivel a vezetékek közötti szigetelés gyenge pontot jelent, ez az indukció szempontjából veszélyesnek bizonyulhat. A rövid emelkedési idő a feszültség visszaverődését is okozza az indukciós kábelben. A legrosszabb esetben ez a jelenség megduplázza a feszültséget az indukciós kapcsokon. Egy 690 voltos frekvenciaváltóból táplált indukció akár 1 900 voltnak is ki lehet téve a fázisok között.
a feszültség amplitúdója az indukciós kábel hosszától és az emelkedési időtől függ. Nagyon rövid emelkedési idő esetén a teljes visszaverődés 10-20 méter hosszú kábelben történik.
a funkció és a motor élettartamának biztosítása érdekében feltétlenül szükséges, hogy a tekercset frekvenciaváltóval való használatra adaptálják. Az 500 volt feletti feszültségek indukcióinak valamilyen megerősített szigeteléssel kell rendelkezniük. Az állórész tekercsét gyantával kell impregnálni, amely biztosítja a buborékoktól vagy üregektől mentes szigetelést. A fénykibocsátás gyakran üregek körül kezdődik. Ez a jelenség végül elpusztítja a szigetelést.
vannak módok a motor védelmére. A megerősített szigetelőrendszeren túl szükség lehet egy szűrő behelyezésére a frekvenciaváltó és az indukció közé. Az ilyen szűrők a legismertebb frekvenciaváltók szállítóitól kaphatók.
a szűrő általában lassítja a feszültség emelkedési időt
dU / dT = 5000v/6532>
Csapágyhiba
a forgó gépek meghibásodása gyakran összefüggésben lehet A csapágyhibával. A túlzott melegítés, az elégtelen kenés vagy a fém kifáradása mellett a csapágyakon keresztüli elektromos áram okozhatja sok titokzatos csapágyhiba mögött, különösen nagy indukció esetén. Ezt a jelenséget általában a mágneses áramkör nem szimmetriája okozza, amely kis feszültséget indukál az állórész szerkezetében, vagy nulla szekvencia áram. Ha az állórészszerkezet és a tengelyegység közötti potenciál elég magas lesz, a csapágyon keresztül kisülés történik. A gördülőelemek és a csapágypálya közötti kis elektromos kisülések végül károsítják a csapágyat.
a frekvenciaváltók használata növeli az ilyen típusú csapágy meghibásodásának valószínűségét. A modern frekvenciaváltó kapcsolási technikája nulla szekvenciájú áramot okoz, amely bizonyos körülmények között utat talál a csapágyakon.
ennek a problémának a legegyszerűbb módja az áram akadályának emelése. A szokásos módszer egy szigetelő bevonattal ellátott csapágy használata a külső gyűrűn.
következtetések
a frekvenciaváltó használata nem jelent problémamentességet. Sok olyan kérdés, amelyet a tervezési munka során figyelni kell. Szükség lesz például a rendelkezésre álló tengelyteljesítmény korlátozására a túlzott fűtés megakadályozása érdekében? A probléma elkerülése érdekében szükség lehet alacsonyabb kimeneti teljesítményre.
az indukciós motor szigetelése ellenáll-e az inverter hatásainak? Szükséges a szűrés? A Modern, hatékony inverterek káros hatással vannak a szigetelésre a magas kapcsolási frekvencia és a rövid feszültség-emelkedési idő miatt.
melyik maximális Kábelhossz használható teljes feszültség visszaverődés nélkül? A feszültség amplitúdója mind a kábel hosszától, mind az emelkedési időtől függ. Nagyon rövid emelkedési idő esetén a 10-20 méter hosszú kábelekben teljes visszaverődés következik be.
szükség lehet-e szigetelt csapágyak használatára annak megakadályozása érdekében, hogy a nulla szekvenciájú áram a csapágyakhoz jusson?
csak akkor, ha tisztázzuk ezeket a kérdéseket, képesek leszünk helyes döntéseket hozni a frekvenciaváltó használatáról.