産業用誘導電動機関連の用途において、高効率、優れた管理性、省エネルギーを実現するためには、制御可能な周波数変換器システムを採用する必要があります。 この頃は頻度コンバーターシステムは静的な頻度コンバーターによって与えられるACモーターです。 最新の頻度コンバーターはACモーター塗布および容易な取付けのための偉大な人を働かせる。 しかし、重要な問題の1つは、非正弦波出力電圧によって引き起こされます。 この要因は、多くの望ましくない問題を引き起こしています。 誘導電動機の損失の増加、騒音および振動、誘導絶縁システムへの有害な影響、および軸受の故障は、周波数変換器関連システムの問題の例である。 誘導損失の増加は、過熱を防止するために誘導出力電力の定格解除を意味します。 実験室の測定は温度の上昇が一般的な電源と比較される頻度コンバーターとの40%より高いかもしれないことを示します。 周波数変換器の継続的な研究と強化は、これらの問題の多くを解決しました。 残念ながら、ある問題を解決することは別の問題を強調しているようです。 誘導および周波数変換器の損失を低減すると、絶縁への有害な影響が増加する傾向があります。 誘導製造業者は、もちろん、これを認識しています。 新しい誘導の設計（インバーター抵抗力があるモーター）は市場で現われ始めています。 よりよい固定子の巻上げの絶縁材および他の構造改善は頻度コンバーターの塗布のためによりよく合わせられる誘導電動機を保障します。
はじめに
誘導電動機の最も深刻な問題の一つは、速度調整に適応することの難しさでした。 ACモータの同期速度は以下の式で求められます。
ns=120*f/p
ns=同期速度
f=電力網周波数
p=極番号
与えられた極番号のために、速度を調整する唯一の方法は、周波数を変更することです。
基本原理
理論的には、基本的な考え方は簡単で、安定した電力線周波数を可変周波数に変換するプロセスは、基本的に二つのステップで行われます:
- AC電源はDC電圧に整流されます。
- 直流電圧を所望の周波数の交流電圧に切り上げます。
周波数変換器は、基本的に整流器、DCリンク、インバータの三つのブロックで構成されています。
異なるタイプの周波数変換器
PWM電圧源インバータ（VSI）
PWM（パルス幅変調）は、周波数変換器業界で広く適用されています。 それらはメガワットまで数百ワットから利用できる。
PWMコンバータは、負荷を正確に一致させる必要はありません、それは負荷がPWMコンバータが定格よりも高い電流を消費しないこ 100kW PWMコンバータを使用して20kWの誘導を実行することは可能です。 これは操作を適用のためにもっと簡単にする大きい利点である。
現在、PWM周波数変換器は絶縁ゲートバイポーラ変換器(IGBT)を使用しています。 最新のPWM周波数コンバータは非常に優れた性能を発揮し、正弦波電源を使用した設計にはそれほど遅れていません。
電流源インバータ（CSI）
電流源インバータは、PWMと比較して粗く、かなりシンプルな設計です。 それはそれを大いにより安くさせる電力回路で簡単なサイリスタかSCRsを使用します。 それはまた非常に信頼できるという利点を持っています。 この設計は、DCリンク内の大きなインダクタのために短絡防止になります。 それはPWMよりもかさばるです。
以前は、電流源インバータが大きな負荷に最適でした。 電流源インバータの欠点は、負荷にマッチングする必要があることです。 周波数変換器は、使用される誘導電動機用に設計する必要があります。 実際、誘導自体は反転回路の一部です。
電流源インバータは、誘導電動機に正方形状の電流を供給する。 低速では、誘導はコギングトルクを生成する。 このタイプの周波数コンバータは、PWMコンバータと比較して電源ソースに多くのノイズを生成します。 フィルタリングが必要です。
出力電圧の重い電圧トランジェントは、電流源インバータのさらなる欠点です。 過渡現象は、最悪の場合、公称電圧のほぼ2倍に達する可能性があります。 また、この周波数変換器を使用すると、巻線絶縁が時期尚早に摩耗する危険性もあります。 この効果は、負荷が周波数変換器と適切に一致しない場合に最も深刻です。 これは、部品負荷で実行するときに発生する可能性があります。 周波数変換器のこの種は、より多くの人気を失っています。
フラックスベクトル制御(FVC)
フラックスベクトル制御は、極端な制御要求を持つアプリケーションで使用されるより洗練されたタイプの周波数コン 例えば、製紙工場では、速度と延伸力を非常に正確に制御する必要があります。
FVC周波数変換器は常に何らかのフィードバックループを持っています。 この種の周波数変換器は、一般的にポンプ用途にはあまり関心がありません。 それは高価であり、その利点を利用することはできません。
モータへの影響
純粋な正弦波電圧源を供給すると、誘導が最適に機能します。 これは強い実用的な動力源に接続されたとき大抵事実である。
誘導が周波数変換器に接続されている場合、それは非正弦波電圧-より多くのチョップド平方電圧のように供給されます。 対称な3相の2乗電圧で3相誘導を供給すると、3の倍数であるすべての高調波と偶数は、対称性のために排除されます。 しかし、まだ残っている数字は5;7と11;13と17;19と23;25などです。 高調波の各ペアについて、低い方の数は逆回転であり、高い方の数は順回転である。
誘導電動機の速度は、その強力な優位性のために、基本数、または数1によって決定されます。 さて、高調波はどうなりますか？
高調波の観点からは、誘導はロータがブロックされているようであり、これは高調波に対してスリップが約1であることを意味する。 これらは有用な仕事を提供しない。 結果は大抵回転子の損失および余分暖房である。 特に私たちのアプリケーションでは、これは深刻な結果です。 しかし、現代の技術では、誘導電流中の高調波成分の多くを排除することが可能であり、それによって余分な損失を低減することが可能である。
周波数変換器
以前の周波数変換器は、誘導電動機を供給するために単純な正方形の電圧を使用することがよくありました。 それらは加熱問題を引き起こし、誘導はトルクリップルによって引き起こされる典型的な騒音と動いた。 はるかに優れた性能は、単に第五と第七を排除することによって達成されました。 それは電圧信号のいくつかの余分なスイッチングによって行われました。
今日の周波数変換器
今日では、技術はより洗練されており、欠点のほとんどは歴史です。 高速パワー半導体とマイクロプロセッサの開発により、有害な高調波の大部分が排除されるようにスイッチングパターンを調整することが可能にな
中電力範囲(最大数十kW)の周波数コンバータには、最大20kHzのスイッチング周波数を使用できます。 このタイプの周波数変換器による誘導電流は、ほぼ洞形になります。
高いスイッチング周波数では、誘導損失は低く抑えられますが、周波数変換器の損失は増加します。 過度に高いスイッチング周波数では、総損失が大きくなります。
いくつかのモータの基本理論
誘導電動機におけるトルク生産は、
T=V*π*B
V=アクティブロータ体積
π=メートル当たりの電流固定子ボア円周
B=エアギャップ内の磁束密度
B=(E/ω)=e/(2*π*f)
B=(e/ω)=e/(2*π*f)
B=(e/ω)=e/(2*π*f)
B=(e/ω)=e/(2*π*f)
B=(e/ω)=e/(2*π*f)
ω=固定子電圧の角周波数
e=誘導固定子電圧
様々な速度で最高の性能を得るためには、各速度の誘導に適切な磁化レベルを維持する必要があります。
各種トルク特性の範囲を次の図のように示します。 一定のトルク負荷の場合、V/F比は一定でなければなりません。 正方形のトルクの負荷のために、一定したV/Fの比率は低速で過度に高い磁化で起因します。 これにより、不必要に高い鉄損と抵抗損失（I2R）が発生します。
正方形のV/F比を使用する方が良いです。 したがって、鉄損とI2R損失は、実際の負荷トルクに対してより許容可能なレベルに低減されます。
この図を見ると、電圧は最大に達しており、50Hzの基本周波数を超えて増加することはできません。 ベース周波数より上の範囲は、電界弱化範囲と呼ばれます。 この結果、電流を増加させることなく必要なトルクを維持することはもはや不可能である。 これは正弦電力網から動く常態の下の電圧と同じ種類の加熱問題で起因します。 周波数変換器の定格電流を超える可能性があります。
現場弱化範囲での走行
時には、そうでなければ不可能なデューティポイントに到達するために、商用電力網の周波数よりも高い周波数でポンプを動 そうすることは、余分な意識を必要とします。 ポンプのためのシャフト力は速度の立方体と増加する。 10%の終わる速度は33%より多くの出力電力を要求します。 大雑把に言えば、温度上昇は約75％増加することが期待できます。
それにもかかわらず、過速度で誘導から絞り出すことができるものには限界があります。 誘導の最大トルクは、電界弱化範囲で1/Fの関数として低下します。
周波数変換器がトルクに必要とされる電圧に対応する電圧でそれをサポートできない場合、誘導が脱落することは明らかです。
ディレーティング
多くの場合、誘導は正弦波電力網から最大容量で実行され、余分な加熱は許容できません。 このような誘導がある種の周波数変換器から電力を供給される場合、過熱を避けるために、おそらくより低い出力電力で実行する必要があります。
300kWを超える大型ポンプ用の周波数変換器が25～30%の誘導損失を追加することは珍しいことではありません。 以前の世代の周波数変換器では、500Hzから1000Hzが一般的です。
余分な損失を補償するためには、出力電力を低減する必要があります。 私達は大きいポンプのための10-15%の一般的な軽減を推薦する。
周波数変換器は高調波で供給グリッドを汚染するため、電力会社によって入力フィルタが規定されていることがあります。 このフィルタは、使用可能な電圧を通常5-10%減少させます。 その結果、誘導は公称電圧の90-95％で動作します。 その結果、追加の加熱が行われる。 ディレーティングが必要な場合があります。
例
正弦波電力網を使用して、実際のポンプモータの出力電力が50Hzで300kW、温度上昇が80°Cであると仮定します。 30％の余分な損失は、30％暖かい誘導になります。 保守的な仮定は、温度上昇は軸力の二乗によって変化するということである。
80°Cを超えないようにするには、軸力をに下げなければなりません= √(1/1.3) * 300 = 263kw
減少をインペラーの直径を減らすか、または促進によって達成することができる。
周波数変換器の損失
周波数変換器システムの総効率を決定する場合は、周波数変換器の内部損失を含める必要があります。 これらの周波数変換器の損失は一定ではなく、決定するのは容易ではありません。 それらは一定した部分および負荷依存した部分から成っている。
定損失：
冷却損失（冷却ファン）—電子回路の損失など。
負荷依存損失:
パワー半導体のスイッチング損失とリード損失。
定格45kW、90kW、260kWの3次負荷時の周波数の関数としての周波数変換効率を次の図に示します。 この曲線は、50-300kWの出力範囲の周波数コンバータを表しており、スイッチング周波数は約3kHz、第二世代のIGBTを備えています。
モータ絶縁への影響
最新の周波数コンバータからの出力電圧は、非常に短い電圧上昇時間を持っています。dU/dT=5000V/μ sが一般的な値です。
このような急峻な電圧勾配は、誘導巻線の絶縁材料に過度の応力を引き起こします。 立ち上がり時間が短いと、固定子巻線の電圧は均一に分布しません。 正弦波電源では、誘導巻線のターンターン電圧は通常均等に分布します。 一方、周波数変換器では、電圧の最大80％が第1ターンと第2ターンの間に低下します。 ワイヤー間の絶縁が弱点を構成するので、これは誘導のために危険であると証明するかもしれません。 また、立ち上がり時間が短いと、誘導ケーブルに電圧反射が発生します。 最悪の場合、この現象は誘導端子の両端の電圧を2倍にします。 690ボルトの周波数変換器から供給される誘導は、相間で最大1 900ボルトにさらされる可能性があります。
電圧振幅は誘導ケーブルの長さと立上り時間に依存します。 非常に短い上昇時間によって、完全な反射は長さが10から20メートルケーブルで起こる。
機能と十分なモータ寿命を確保するためには、周波数変換器で使用するために巻線を適合させることが絶対に必要です。 500ボルトの上の電圧のための誘導は補強された絶縁材の形態がなければなりません。 固定子の巻上げは泡かキャビティの自由な絶縁材を保障する樹脂と浸透させなければなりません。 グロー放電はしばしば空洞の周りを開始します。 この現象は最終的に断熱材を破壊します。
モーターを保護する方法があります。 補強された絶縁材システムの上でそしての上で、頻度コンバーターと誘導の間にフィルターを挿入することは必要かもしれません。 このようなフィルタは、最もよく知られている周波数変換器の供給業者から入手可能である。
フィルタは通常、電圧上昇時間をdU/dT=5000V/μ sから500-600V/μ sに遅くします
軸受故障
回転機械の故障は、軸受故障に関連することがよくあります。 過度の加熱、不十分な潤滑または金属疲労に加えて、軸受を通る電流は、特に大きな誘導を伴う多くの神秘的な軸受故障の原因となる可能性がある。 この現象は、一般的に、固定子構造に小さな電圧を誘導する磁気回路の非対称性、またはゼロシーケンス電流によって引き起こされます。 固定子の構造とシャフトの単位間の潜在性が十分に高くなれば、排出は軸受けを通って起こります。 転動体と軸受軌道との間の小さな放電は、最終的に軸受を損傷する。
周波数変換器を使用すると、このタイプの軸受故障が発生する可能性が高くなります。 現代の周波数変換器のスイッチング技術は、特定の状況下では、軸受を介してその方法を見つけるゼロシーケンス電流を引き起こします。
この問題を解決する最も簡単な方法は、電流の障害物を上げることです。 通常の方法は、外輪に絶縁コーティングを施したベアリングを使用することです。
結論
周波数変換器の使用は問題のない意味ではありません。 設計作業中に注意を払わなければならない質問がたくさんあります。 例えば、過度の加熱を防ぐために利用可能なシャフトパワーを制限する必要がありますか？ この問題を回避するには、より低い出力電力で実行する必要がある可能性があります。
誘導電動機の絶縁材はインバーターからの効果に抵抗しますか。 フィルタリングは必要ですか？ 現代、有効なインバーターに高い切換えの頻度および短い電圧上昇時間による絶縁材の有害な影響がある。
フル電圧反射を発生させずに使用できる最大ケーブル長はどれですか？ 電圧振幅は、ケーブル長と立上り時間の両方に依存します。 非常に短い上昇の時間によって、完全な反射はケーブルで10から20メートル長さ起こります。
ゼロシーケンス電流が軸受に到達するのを防ぐために、絶縁軸受を使用する必要があるかもしれませんか？
これらすべての質問をクリアした場合にのみ、周波数変換器の使用について正しい決定を下すことができます。
