for å realisere høy effektivitet, god håndterbarhet Og energibesparende i industrielle induksjonsmotorrelaterte applikasjoner, er det nødvendig å vedta kontrollerbare frekvensomformersystemer. Frekvensomformer system i dag ER AC motor matet av en statisk frekvensomformer. Den up-to-date frekvensomformer fungerer bra FOR AC motor applikasjoner og enkel installasjon. Et viktig problem er imidlertid forårsaket av den ikke-sinusformede utgangsspenningen. Denne faktoren har forårsaket mange uønskede problemer. Økt induksjonsmotortap, støy og vibrasjoner, skadelig innvirkning på induksjonsisolasjonssystemet og lagerfeil er eksempler på frekvensomformerrelaterte systemers problemer. Økt induksjonstap betyr en de-vurdering av induksjonsutgangseffekten for å forhindre overoppheting. Måling i laboratoriet viser at temperaturstigninger kan være 40% høyere med frekvensomformer sammenlignet med generelle strømforsyninger. Kontinuerlig forskning og forbedring av frekvensomformere har løst mange av disse problemene. Dessverre ser det ut til at å løse ett problem har aksentert en annen. Reduksjon av induksjons-og frekvensomformertap har en tendens til å øke den skadelige effekten på isolasjonen. Induksjonsprodusentene er selvsagt klar over dette. Nye induksjonsdesign (inverterbestandige motorer) begynner å vises på markedet. Bedre statorviklingsisolasjon og andre strukturelle forbedringer sikrer induksjonsmotorer som blir bedre tilpasset frekvensomformerapplikasjoner.
Innledning
en av de alvorligste problemene med induksjonsmotoren har vært vanskeligheten med å tilpasse den til hastighetsjustering. Den synkrone hastigheten til EN VEKSELSTRØMSMOTOR bestemmes av følgende ligning.
ns = 120 * f / p
ns = synkron hastighet
f = strømnettfrekvens
p = polnummer
Den eneste måten å justere hastigheten på, for et gitt polnummer er å endre frekvensen.
grunnprinsippet
i teorien er grunnideen enkel, prosessen med å transformere den stabile strømlinjefrekvensen til en variabel frekvens er i utgangspunktet gjort i to trinn:
- VEKSELSTRØMSKILDEN er rettet inn I EN LIKESPENNING.
- LIKESPENNINGEN er hakket opp I EN VEKSELSTRØM med ønsket frekvens.
en frekvensomformer består i utgangspunktet av tre blokker: likriktaren, DC-lenken og omformeren.
Ulike typer frekvensomformere
PWM Spenningskilde Inverter (VSI)
PWM (Pulse Width Modulation) er mye brukt i frekvensomformerindustrien. De er tilgjengelige fra flere hundre watt opp til megawatt.
EN PWM-omformer trenger ikke å matche lasten nøyaktig, den trenger bare å sørge for at lasten ikke bruker strøm høyere enn PWM-omformeren er vurdert for. Det er ganske mulig å kjøre en 20 kW induksjon med en 100 kW PWM-omformer. Dette er en stor fordel som gjør operasjonen enklere for applikasjonen.
I Dag bruker pwm frekvensomformeren Isolert Gate Bipolar Oversetter (IGBT). Moderne pwm frekvensomformere fungerer veldig bra, og er ikke langt bak design ved hjelp av en sinusformet strømforsyning – i hvert fall ikke i effektområdet opp til 100 kW eller så.
Current Source Inverter (CSI)
current source inverter er en grov og ganske enkel design sammenlignet med PWM. Den bruker enkle tyristorer eller SCRs i strømkretsene, noe som gjør det mye billigere. Det har også fordelen av å være svært pålitelig. Designet gjør det kortslutningssikkert på grunn av de store induktorene I DC-lenken. Det er bulkier enn PWM.
tidligere var gjeldende kilde inverter det beste valget for store belastninger. En ulempe med den nåværende kildeomformeren er behovet for å matche lasten. Frekvensomformeren må være konstruert for induksjonsmotoren som brukes. Faktisk er induksjonen selv en del av den inverterte kretsen.
den nåværende kildeomformeren forsyner induksjonsmotoren med en firkantet strøm. Ved lave hastigheter produserer induksjonen et tannmoment. Denne typen frekvensomformer vil generere mer støy på forsyningskilden sammenlignet MED PWM-omformeren. Filtrering er nødvendig.
Tungspenningstransienter i utgangsspenningen er en ytterligere ulempe ved strømkildeomformeren. Transientene kan nå nesten to ganger nominell spenning i verste fall. Det er også fare for at viklingsisolasjonen blir slitt ut for tidlig, hvis denne frekvensomformeren brukes. Denne effekten er mest alvorlig når lasten ikke samsvarer med frekvensomformeren riktig. Dette kan skje når du kjører på delbelastning. Denne typen frekvensomformer mister sin popularitet mer og mer.
Flux Vector Control (FVC)
en flux vector control er en mer sofistikert type frekvensomformer som brukes i applikasjoner som har ekstreme kontrollkrav. I papirfabrikker er det for eksempel nødvendig å kontrollere hastighet og strekkstyrker veldig nøyaktig.
EN fvc-frekvensomformer har alltid en slags tilbakemeldingssløyfe. Denne typen frekvensomformer er generelt av liten interesse for pumpeapplikasjoner. Det er dyrt, og fordelene kan ikke utnyttes.
Effekt på motoren
en induksjon fungerer best når den leveres med en ren sinusformet spenningskilde. Dette er for det meste tilfelle når den er koblet til en robust strømkilde.
når en induksjon er koblet til en frekvensomformer, vil den bli forsynt med en ikke-sinusformet spenning-mer som en hakket kvadratspenning. Hvis vi leverer en 3-faset induksjon med en symmetrisk 3-faset kvadratspenning, vil alle harmoniene som er multipler av tre, samt de jevne tallene, bli eliminert på grunn av symmetri. Men fortsatt igjen er tallene 5;7 og 11;13 og 17;19 og 23; 25 og så videre. For hvert par harmoniske er det lavere tallet omvendt roterende og det høyere tallet roterer fremover.
induksjonsmotorens hastighet bestemmes av det grunnleggende tallet, eller nummer 1, på grunn av sin sterke dominans. Hva skjer med harmoniene?
fra harmonikkens synspunkt synes induksjonen å ha rotoren blokkert, noe som betyr at glideren er omtrent 1 for harmoniene. Disse gir ikke noe nyttig arbeid. Resultatet er for det meste rotortap og ekstra oppvarming. Spesielt i vår søknad er dette et alvorlig utfall. Med moderne teknologi er det imidlertid mulig å eliminere mye av det harmoniske innholdet i induksjonsstrømmen, og dermed redusere de ekstra tapene.
Frekvensomformer før
de tidligste frekvensomformerne brukte ofte en enkel kvadratisk spenning for å forsyne induksjonsmotoren. De forårsaket oppvarming problemer og induksjoner kjørte med en typisk støy forårsaket av dreiemoment rippel. Mye bedre ytelse ble oppnådd ved å eliminere den femte og den syvende. Det ble gjort gjennom litt ekstra bytte av spenningssignalet.
Frekvensomformer i dag
i Dag er teknikken mer sofistikert og de fleste ulempene er historie. Utvikling av raske halvledere og mikroprosessoren har gjort det mulig å skreddersy byttemønsteret på en slik måte at de fleste skadelige harmoniene elimineres.
Koblingsfrekvenser opptil 20 kHz er tilgjengelige for frekvensomformere i middels effektområde(opptil noen titalls kW). Induksjonsstrømmen med denne typen frekvensomformer vil være nesten sinusformet.
ved høy bryterfrekvens holdes induksjonstapene lave, men tapene i frekvensomformeren vil øke. De totale tapene blir høyere ved for høye bryterfrekvenser.
some motor basic theory
dreiemomentproduksjonen i en induksjonsmotor kan uttrykkes som
T = V * τ * B
v = Aktivt rotorvolum
τ = Strøm per meter statorboreomkrets
B = Flukstetthet i luftgapet
b = proporsjonal med (E / ω) = E / (2 * π * f)
ω = vinkelfrekvens for statorspenningen
e = indusert statorspenning
For Å Oppnå Best mulig ytelse ved forskjellige Hastigheter, Blir Det Nødvendig Å Opprettholde Et Passende Magnetiseringsnivå for Induksjonen for hver hastighet.
en rekke forskjellige dreiemomentegenskaper er vist som følgende figur. For konstant dreiemomentbelastning må v / F-forholdet være konstant. For kvadratmomentbelastningen vil et konstant v/F-forhold resultere i for høy magnetisering ved lavere hastighet. Dette vil gi unødvendig høye jerntap og motstandstap (i2r).
det er bedre å bruke et firkantet v / F-forhold. Jerntapene og i2r-tapene reduseres dermed til et nivå som er mer akseptabelt for det faktiske lastmomentet.
hvis vi ser På Figuren, finner vi at spenningen har nådd sitt maksimum og ikke kan økes over 50hz basefrekvensen. Området over basefrekvensen kalles feltsvekkingsområdet. En konsekvens av dette er at det ikke lenger er mulig å opprettholde det nødvendige dreiemomentet uten å øke strømmen. Dette vil resultere i oppvarmingsproblemer av samme type som ved normal spenning som går fra et sinusformet strømnett. Frekvensomformerens nominelle strøm vil sannsynligvis bli overskredet.
Kjører i feltsvekkingsområdet
noen ganger er det en fristelse å kjøre pumpen ved frekvenser over den kommersielle strømnettfrekvensen for å nå et driftspunkt som ellers ville være umulig. Å gjøre det krever ekstra bevissthet. Akselkraften til en pumpe vil øke med hastighetskuben. En over hastighet på 10% vil kreve 33% mer utgangseffekt. Grovt sett kan vi forvente at temperaturstigningen vil øke med ca 75%.
det er likevel en grense for hva vi kan klemme ut av induksjonen med overhastighet. Induksjonens maksimale dreiemoment vil falle som en funksjon av 1 / F i felt-svekkende område.
det er åpenbart at induksjonen vil falle ut hvis frekvensomformeren ikke kan støtte den med en spenning som tilsvarer det som trengs av dreiemomentet.
Derating
i mange tilfeller drives induksjonen med maksimal kapasitet fra et sinusformet strømnett, og eventuell ekstra oppvarming kan ikke tolereres. Hvis en slik induksjon drives av en frekvensomformer av noe slag, må den sannsynligvis kjøres med lavere utgangseffekt for å unngå overoppheting.
det er ikke uvanlig at en frekvensomformer for store pumper over 300 kW vil gi ekstra induksjonstap på 25-30%. I det øvre effektområdet har bare noen få av frekvensomformerne en høy bryterfrekvens: 500 Til 1000 Hz er vanlig for den tidligere generasjonen av frekvensomformere.
for å kompensere for de ekstra tapene, er det nødvendig å redusere utgangseffekten. Vi anbefaler en generell derating på 10-15% for store pumper.
siden frekvensomformeren forurenser forsyningsnettet med harmoniske, foreskrives et inngangsfilter noen ganger av kraftselskapet. Dette filteret vil redusere tilgjengelig spenning med typisk 5-10%. Induksjonen vil derfor kjøre på 90-95% av nominell spenning. Konsekvensen er ekstra oppvarming. Derating kan v re nodvendig.
Eksempel
Anta at utgangseffekten for den faktiske pumpemotoren er 300 kW ved 50 Hz og temperaturstigningen er 80°C ved hjelp av et sinusformet strømnett. Ekstra tap på 30% vil resultere i en induksjon som er 30% varmere. En konservativ antagelse er at temperaturstigningen varierer med kvadratet av akselkraft.
for ikke å overskride 80°C, må vi redusere akseleffekten til
Preduced = √(1/1.3) * 300 = 263kw
reduksjonen kan oppnås enten ved å redusere pumpehjulets diameter eller ved å øke hastigheten.
Frekvensomformertap
når den totale effektiviteten til et frekvensomformersystem bestemmes, må de interne tapene til frekvensomformerne inkluderes. Disse frekvensomformertapene er ikke konstante og ikke enkle å bestemme. De består av en konstant del og en lastavhengig del.
Konstant tap:
Kjøletap—kjølevifte) – tap i elektroniske kretser og så videre.
Lastavhengige tap:
Bytte tap og føre tap i power semiconductors.
følgende figur viser frekvensomformerens effektivitet som funksjon av frekvensen ved en kubisk belastning for enheter vurdert til 45, 90 og 260 kW. Kurvene er representative for frekvensomformere i effektområdet 50-300 kW; med bryterfrekvensen som tilsvarer ca 3 kHz og MED EN IGBT av andre generasjon.
Effekter på motorisolasjon
utgangsspenningene fra moderne frekvensomformere har en svært kort spenningsstigningstid.
dU / dT = 5000V / µ er en felles verdi.
slike bratte spenningsskråninger vil forårsake unødig stress i isolasjonsmaterialene til induksjonsviklingen. Med korte stigningstider er spenningen i statorviklingen ikke jevnt fordelt. Med en sinusformet strømforsyning er svingspenningen i en induksjonsvikling normalt like fordelt. Med en frekvensomformer derimot vil opptil 80% av spenningen falle over første og andre sving. Siden isolasjonen mellom ledningene utgjør et svakt punkt, kan dette vise seg å være farlig for induksjonen. En kort stigetid forårsaker også spenningsrefleksjon i induksjonskabelen. I verste fall vil dette fenomenet doble spenningen over induksjonsterminaler. En induksjon matet fra en 690 volt frekvensomformer kan bli utsatt for opptil 1 900 volt mellom faser.
spenningsamplituden avhenger av lengden på induksjonskabelen og stigetiden. Med svært korte stigningstider oppstår full refleksjon i en kabel 10 til 20 meter lang.
for å sikre funksjon og god motorlevetid er det helt nødvendig at en vikling tilpasses for bruk med frekvensomformer. Induksjoner for spenninger over 500 volt må ha noen form for forsterket isolasjon. Statorviklingen må impregneres med en harpiks som sikrer en isolasjon fri for bobler eller hulrom. Glød utslipp starter ofte rundt hulrom. Dette fenomenet vil til slutt ødelegge isolasjonen.
det finnes måter å beskytte en motor på. Utover et forsterket isolasjonssystem kan det være nødvendig å sette inn et filter mellom frekvensomformeren og induksjonen. Slike filtre er tilgjengelige fra de fleste kjente leverandører av frekvensomformere.
et filter vil typisk forsinke spenningstiden fra
dU/dT = 5000V / µ til 500-600V/µ
Lagerfeil
Nedbryting av roterende maskineri kan ofte være relatert til lagerfeil. I tillegg til overdreven oppvarming, utilstrekkelig smøring eller metallutmattelse, kan elektrisk strøm gjennom lagrene være årsaken bak mange mystiske lagerbrudd, spesielt med store induksjoner. Dette fenomenet er vanligvis forårsaket av ikke-symmetri i magnetkretsen, som induserer en liten spenning i statorstrukturen, eller ved en nullsekvensstrøm. Hvis potensialet mellom statorstrukturen og akselenheten blir høyt nok, vil en utladning finne sted gjennom lageret. Små elektriske utladninger mellom rulleelementene og lagerbanen vil til slutt skade lageret.
bruk av frekvensomformere vil øke sannsynligheten for at denne typen lagerfeil oppstår. Bytteteknikken til en moderne frekvensomformer forårsaker en nullsekvensstrøm som under visse omstendigheter finner sin vei gjennom lagrene.
den enkleste måten å kurere dette problemet på er å øke et hinder for dagens. Den vanlige metoden er å bruke et lager med et isolerende belegg på ytterringen.
Konklusjoner
Bruk av en frekvensomformer betyr ikke problemfri. Mange spørsmål som må være oppmerksom på under designarbeidet. Vil det for eksempel være nødvendig å begrense tilgjengelig akselkraft for å forhindre overdreven oppvarming? Det kan vise seg nødvendig å kjøre med lavere utgangseffekt for å unngå dette problemet.
vil induksjonsmotorisolasjonen motstå effekter fra omformeren? Er filtrering nødvendig? Moderne, effektive omformere har skadelig innvirkning på isolasjonen på grunn av høy bryterfrekvens og kort spenningstidsstigning.
hvilken maksimal kabellengde kan brukes uten å produsere fullspenningsrefleksjon? Spenningsamplituden avhenger av både kabellengden og stigningstiden. Med svært korte stigningstider vil full refleksjon oppstå i kabler 10 til 20 meter lange.
Kan det være nødvendig å bruke isolerte lagre for å hindre at en nullsekvensstrøm finner veien til lagrene?
Bare når vi fjerner alle disse spørsmålene, vil vi kunne ta riktige beslutninger om bruk av en frekvensomformer.